扑旋翼飞行器气动特性分析及机翼拓扑优化设计

建立微型扑旋翼飞行器运动学模型,基于面元法研究低雷诺数下非定常场中扑旋翼飞行器的气动特性,得到机翼气动特性和一个工作周期内的最大气动载荷。建立扑旋翼飞行器机翼有限元模型,基于变密度法和独立连续映射法(Independent continuous mapping,ICM)对机翼进行静力学和动力学拓扑优化设计,通过改变机翼拓扑结构优化机翼模态频率,得到同时满足结构静力学和动力学要求的扑旋翼飞行器机翼拓扑结构。本文为扑旋翼飞行器机翼结构优化设计提供了基本思路和研究基础。     

旋翼飞行器飞行动力学系统辨识建模算法研究

描述了旋翼飞行器飞行力学模型的系统辨识建模算法,从旋翼飞行器飞行动力学建模的共性问题入手,首先采用机理建模的方法分析了旋翼飞行嚣主要气动部件所受气动力.考虑旋翼挥舞运动对旋翼飞行器飞行动力学特性的影响,建立了旋翼飞行器的飞行力学系统辨识参数化模型集.其次以子空间方法辨识初始飞行动力学模型,采用加权频域预报误差法获得最优模型的两步辨识方法解决旋翼飞行器这一非线性不稳定,多输入-多输出系统辨识问题,且所辨识模型与机理模型具有相同的结构.最后对样例直升机的悬停飞行状态模型辨识进行了数值与试飞试验验证,表明了方法的有效性.     

倾转旋翼飞行器的操纵策略和配平方法

根据倾转旋翼飞行器的构型特点,建立了倾转旋翼飞行器旋翼、机翼、短舱、机身、平尾(含升降舵)和垂尾(含方向舵)的气动力模型,研究了倾转旋翼飞行器的操纵策略以满足直升机模式的悬停/小速度飞行、直升机模式向固定翼飞机模式转换的过渡飞行和固定翼飞机模式的高速飞行,并运用最优方法研究倾转旋翼飞行器在不同飞行速度下作稳定对称飞行时的配平方法.最后以XV-15倾转旋翼飞行器为例,进行各种飞行模式的配平.结果表明:本文所述方法能合理地给出倾转旋翼飞行器在整个稳定飞行速度范围内的操纵量和姿态.     

基于模糊小波神经网络的四旋翼飞行器鲁棒自适应控制

针对四旋翼飞行器的飞行控制问题,提出了一种基于模糊小波神经网络的鲁棒自适应滑模控制方法。首先利用牛顿-欧拉方程得到四旋翼飞行器的动力学模型,然后用模糊小波神经网络在线逼近系统中的外部扰动和未建模不确定动力学特性,最后提出鲁棒自适应滑模控制算法,通过Lyapunov稳定性理论证明了整个飞行控制系统的稳定性。仿真和实验结果验证了所提出控制方法对外界干扰和模型的不确定性具有较好的鲁棒性和自适应性。     

四旋翼飞行器减振滤波算法分析与设计

针对四旋翼飞行器在飞行过程中机体振动问题,分析了振动对加速度计输出数据的影响,为兼顾系统可靠性与灵活性,设计了机械防振与数字减振相结合的振动抑制方法。分别利用MPU6500内部低通滤波器、二阶巴特沃斯滤波和八深度窗口滑动滤波对原始数据进行分析,确定了在四旋翼飞行器中采用加速计内部低通滤波器结合窗口滑动滤波来抑制振动噪声的设计方案。通过实验验证,四旋翼飞行器在开机悬停状态下,俯仰角和横滚角均保持在±2°以内,基本消除了机体振动对自动驾驶仪系统姿态解算的影响,可获得较好的减振性能。     

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV 15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明：建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。     

民用高速旋翼飞行器发展战略分析及关键技术展望

面向直升机高速化的发展趋势,总结了国外高速旋翼飞行器的发展历程,开展了高速旋翼飞行器与直升机、通航飞机、公路、铁路等交通运输工具的效能仿真对比,基于潜在的民用市场需求,综合分析了高速旋翼飞机器在交通运输系统和应急救援体系中的优势与劣势。结果表明,民用高速旋翼飞行器在中国具有明确的战略发展定位,一方面可作为交通体系干支通、全网联的重要节点,以突出的任务效能融入交通运输应用体系;另一方面,面向中远程应急救援的需要,可满足敏捷救援体系响应速度的需求,填补现有直升机应用领域的空白。最后,针对重点发展构型,展望了中国未来民用高速旋翼飞行器的关键技术。     

某型无人机着陆回收可行性研究

无人飞行器结构硬着陆或坠落时,碰撞过程有可能给飞行器结构带来损伤,影响飞行器重复使用.本文利用碰撞仿真技术,对无人飞行器硬着陆仿真方法进行了研究,分析了某型无人机硬着陆回收的可行性.建立了其着陆速度、着陆姿态角与过载的关系,该结果可用于该型无人机的修改设计及结构耐撞性能的评估.     

共轴倾转旋翼性能计算方法

共轴倾转旋翼飞行器是一款可折叠机翼的高速旋翼飞行器。本文建立了适用于共轴倾转旋翼飞行器直升机模式、倾转过渡模式和固定翼飞机模式的旋翼性能计算方法,并对比风洞试验数据验证了共轴倾转旋翼轴流状态的性能和共轴双旋翼前飞状态的性能。在此基础上,分析了共轴倾转旋翼在倾转过渡状态各性能参数的变化规律、上下旋翼诱导速度的分布情况、上下旋翼之间的干扰面积和干扰因子的变化趋势。结论表明:相同来流速度下,当倾转角增大,共轴倾转旋翼的拉力系数减小,功率系数先增大后减小,上下旋翼的受干扰面积和干扰因子均增大。     

利用旋翼机和固定翼飞机的空气动力学理论综合估算电动垂直起降飞行器的飞行性能（英文）

根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降（Electric vertical takeoff and landing, e VTOL）飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋翼和螺旋桨的气动性能采用传统动量理论分析和旋翼元素分析。本文利用此综合理论研究了12架e VTOL飞行器的飞行性能,包括多旋翼飞行器、矢量推进飞行器和升力巡航飞行器。计算了悬停、爬升和下降以及巡航水平飞行,不同飞行状态时驱动电机、旋翼和机身的飞行特性。据此,可以进一步确定电力推进系统的性能指标,以匹配螺旋桨或旋翼,从而满足飞行任务。     

倾转旋翼飞行器的风洞试验技术综述

综述了国外倾转旋翼飞行器风洞试验技术的概况,简要介绍了相应的试验设备和在风洞中所进行的气动试验内容。结合飞行器我国现有相关设备和技术条件,分析了建立倾转旋翼飞行器专用试验台系统的可行性。     

新型涵道四旋翼飞行器总体/飞控一体化设计

针对一种新型涵道四旋翼飞行器,提出了一种总体/飞控一体化的方案设计方法。首先,在满足设计要求的前提下,提出3种构型方案。然后,建立总体设计模型和控制模型,利用总体模型对不同构型的涵道四旋翼飞行器进行参数设计,并在控制模型中对不同状态的配平结果和不同构型的控制效果进行对比,得到评估体系。最后,对3种构型方案进行评估,确定设计方案。     

八旋翼动力学建模及RBF神经网络PID控制研究

针对八旋翼飞行器非线性、强耦合、欠驱动、多输入多输出的系统特点,综合八旋翼动力学特性进行数学公式推导,建立数学模型。利用模型解耦八旋翼各通道输入量与输出量之间的关系。提出RBF神经网络自适应PID控制策略,该策略能够根据控制效果在线自适应整定PID参数,具有自主学习和自适应能力。通过matlab搭建八旋翼仿真模型并对其仿真,对比分析RBF神经网络自适应PID和传统PID控制效果。结果表明:前者控制效果明显优于后者,系统快速性、鲁棒性和稳定性得到了很大改善。     

无人旋翼机旋翼气动分析与试验研究

为支撑某无人旋翼机方案设计,采用叶素理论和动态入流建立旋翼气动模型,进行旋翼参数分析。评估了旋翼半径和总距对旋翼拉力及轴倾角的影响,得到旋翼拉力和操纵规律。在大尺寸低速风洞开展无人旋翼机的试验研究,对独立机身、机身+旋翼组合体进行吹风,得到了不同风速及迎角下机身和旋翼的升力与阻力,并与计算结果进行对比,从而验证计算方法的有效性。通过旋翼气动计算与试验结果分析,研究了旋翼气动特性与设计参数、飞行状态及轴倾角操纵之间关系。最后提出了旋翼拉力与飞行速度和轴倾角的关系公式。     

共轴刚性旋翼飞行器配平特性及验证

针对共轴刚性旋 翼与常规旋翼的区别,从挥舞运动、变距操纵和诱导速度3方面建立共轴刚性旋翼的气动力模型。采用等效挥舞运动概念,建立共轴刚性旋翼的挥舞运动方程;引入提前操纵角概念,建立与共轴刚性旋翼挥舞频率相适应的变距操纵模型;引入上下旋翼干扰因子,建立共轴刚 性旋翼的诱导速度模型。在此基础上,建立共轴刚性旋翼飞行器飞行动力学模型,并以XH-59A 直升机为例计算纯直升机飞行模式的配平特性,使用飞行试验数据验证了理论模型的正确性,同时讨论了共轴刚性旋翼飞行器与常规直升机配平特性的异同点。     

四旋翼倾转飞行器操纵冗余设计

建立了四旋翼倾转飞行器旋翼、机翼、机身的非线性气动模型和飞行动力学模型,并在Matlab/Simulink环境下搭建了仿真模型,根据仿真模型计算各个操纵面的操纵效率,确定了不同状态下各个通道需要用到的操纵方式,结合飞行动力学模型和操纵方式,在纵向通道上进行了全包线的配平计算,表明了操纵策略的可行性。     

基于非线性干扰观测器的四旋翼非奇异快速终端滑模控制

针对存在系统不确定性和外部干扰的四旋翼飞行器,提出了一种基于非线性干扰观测器(Nonlinear distur-bance observer,NDO)的非奇异快速终端滑模控制(Nonsingular fast terminal sliding mode control,NFTSMC)策略.首先,利用NDO估计系统不确定...     

围绕旋翼飞行器的三维结构化运动嵌套网格生成方法

考虑到旋翼飞行器的旋翼各种运动和机身复杂外形特点,建立了一种鲁棒性高的三维结构化嵌套网格生成方法。采用三维Poisson方程对初始网格进行迭代,获得了高质量的旋翼桨叶三维结构化网格。以此方法为基础,以复杂外形几何体表面网格为初始网格,建立了一种抛物型法向外推方法。推进过程中,使用经抛物化处理的新Poisson方程进行光顺迭代,源项由Hilgenstock法确定,有效克服了椭圆型方程生成网格时边界点较难调整的困难。通过网格最小正交度的检测,表明了该抛物型方法的先进性。进一步将高效的挖洞法("Top map"法)和贡献单元搜寻法("Inverse map"法)引入上述三维结构化网格生成中,建立了围绕旋翼飞行器的运动嵌套网格生成方法,采用RANS方程分别对Caradonna-Tung旋翼和V-22倾转旋翼机流场进行计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)计算,表明该网格生成方法能够满足CFD计算的需求。     

飞行器控制软件的Statechart原型及其验证

为快速构建飞行器控制软件的系统功能与行为模型,以无人飞行器为时象研究了一种飞控软件的Statechart原型(简称SCP)及其验证技术。基于软件虚拟原型,该SCP采用形式化语言Statechart对飞控软件进行自顶而下的功能与行为建模。先通过顶层模块定义系统的入口与主流程,接着构造两个并发的子模块：主控模块描述飞行控制与设备管理的状态演变,定时控制模块完成控制输出的实时更新。之后分别从语法、功能及性能3个层面对SCP进行验证与测试,并给出相关实验。该SCP具有层次性、模块化、可视化、可执行和快速反应等特点,适用于各种复杂嵌入式系统(包括有人飞行器和高空高速无人飞行器的飞控系统)的软件规范设计。     

升力偏置对旋翼气动性能的影响

采用共轴刚性旋翼的高速直升机是未来旋翼飞行器的发展方向之一,其本质特点即前行侧桨叶会产生升力偏置。为了研究旋翼升力偏置量对刚性旋翼性能的影响,采用自由尾迹方法对采用前行桨叶概念(Advancing blade concept,ABC)的刚性旋翼在不同升力偏置状态下的气动特性进行了计算。通过对计算结果的分析,得到旋翼升力分布、升阻比、阻力特性和功率特性等随升力偏置的变化规律。文中还对前进比μ=0.2,0.4,0.5的计算结果进行了对比分析。结果表明,旋翼升力偏置量的改变能够显著改变旋翼桨盘的升力分布,进而对旋翼气动性能产生重要影响。不同的前进比下,产生旋翼最大前飞升阻比的升力偏置量也会有所不同,μ=0.2时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为20%左右;μ=0.4时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为25%左右,μ=0.5时,最大前飞升阻比出现在旋翼升力偏置为30%左右。