无人机半物理飞行仿真试验平台设计

本着方便、实用、经济的原则,利用现有的计算机辅助软件,建立了无人机的一体化仿真试验平台。基于该试验平台建立了飞控设计的规范流程,实现了飞控的工程化、一体化设计。根据该试验平台和规范流程,以一架小型飞机为对象,完成了气动力估算和数值模拟,建立了动力学模型,经过线性化设计了纵向控制器,并对控制律进行了实时仿真和飞行试验验证。     

燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

无人机飞行试验参数辨识研究

针对大型无人机飞行试验,探讨了无人机气动导数的参数辨识过程。根据无人机飞行试验数据特点及模态激励方式,分析并实践了相应的数据处理过程,修正了试飞数据;结合参数的相关性分析,建立了合适的气动模型,进行了气动导数辨识并验证了部分导数,辨识结果是真实可信的。所研究内容对验证和优化无人机空气动力和飞控设计进而合理地评价无人机的性能和品质具有重要意义。     

小型电动无人机航程航时估算模型

小型电动无人机通常采用锂电池、无刷电机和螺旋桨组成能源动力系统,飞行过程中锂电池的实际工作电压发生变化,但飞机的总重量不变,其航程航时的估算方法与传统的燃油飞机有所不同。为了准确评估动力系统对飞机设计的影响,建立了以锂电池为动力的电动飞机推进系统模型,通过与实验数据比较,验证了各部分模型的准确性。利用该动力系统模型,对某款小型电动无人机进行了航程和航时估算,结果表明本文的建模方法准确有效,航程航时估算接近实验数据,可作为小型电动无人机设计的重要参考。     

小型无人机纵向飞行品质研究

目前针对无人机的飞行品质评估标准缺失,都是参照有人机飞行品质准则对无人机进行评价,而且评价的标准也不统一。通过对某小型无人机增稳前后的性能进行分析对比,验证了有人机飞行品质标准中的CAP准则和带宽准则对小型无人机的适用性,进而提出了小型无人机纵向飞行品质评定方法,对无人机飞行品质的研究具有一定的借鉴作用。     

民机极限飞行状态的动态气动力试验与建模

飞行失控是造成民机灾难性航空事故的重要因素,飞行失控中飞机难以避免超出正常飞行包线范围,进入具有复杂非线性和非定常动态气动特性的极限飞行状态。本文开展典型民机布局飞机极限飞行状态的动导数、大振幅试验,对大迎角动态气动力的参数影响规律以及非线性、非定常特性进行分析和建模。结果表明,在飞机失速到过失速区域,飞行姿态快速变化过程中动态气动力的非线性和非定常特征显著;在动导数试验和建模中,考虑运动角速率的影响,可以预示气动力非线性的迎角范围,并捕捉到关于飞机动稳定性演化的关键特征;利用Goman-Khrabrov状态空间模型结合大振幅试验,可以确定模型中表征非定常特征的关键时间常数,获得特定极限飞行状态运动中的非定常动态气动力特性。研究方法和结果为开展民机极限飞行状态的动态气动力风洞试验设计与建模提供了一个可行途径,能改进飞机飞行失控预防、极限状态改出、飞行模拟训练和飞行事故分析等。     

高空长航时太阳能无人机高效气动力设计新挑战

高空长航时太阳能无人机具有飞行雷诺数低、结构柔性大等设计特点,在气动力设计时,一般采用单设计点的设计思想,即在预定设计状态下具有较为优异的气动特性,但稍微偏离该设计点时,将显著地削弱其气动力特性,为其高效气动力设计带来诸多新挑战。本文首先简要回顾了太阳能飞机的发展历程,并分析了该类飞机的设计特点;随后,重点介绍了该类飞机的高效低雷诺数气动力设计面临的挑战及机翼气动弹性效应对全机气动力特性的影响;最后,分析展望了缩比自由飞验证技术在该类飞机高效气动力设计中的应用。     

太阳能/氢能无人机总体设计与能源管理策略研究

针对小型低空长航时电动无人机需求,给出了太阳能/氢能混合能源动力系统集成方案和小型低空长航时无人机构型。针对典型任务剖面,综合考虑太阳能电池和氢燃料电池特性,提出了一种考虑全机重量能量耦合关系的总体设计方法和任务剖面驱动的能源管理策略;建立了能源系统模型,给出了能源控制流程,开发了能源管理仿真平台。以1.5 kg任务载荷为例,完成了无人机总体方案设计,仿真分析了各种能源特性对飞行结果的影响。结果表明:能源管理策略能够根据任务剖面的要求合理配置能源系统的功率,满足各阶段的功率需求;无人机在冬至日航时为21 h、夏至日可实现跨昼夜飞行;在能源系统重量相同情况下,该混合能源无人机的航时分别是纯锂电池无人机和燃料电池无人机的5.5倍和1.2倍。     

一种小型自主飞行无人机系统集成设计研究

小型自主飞行无人机系统又称为空中机器人,泛指各种能够在空中自由飞行的无人飞行器系统,具有广泛的应用前景.论述了一种5kg小型自主飞行无人机系统的飞行平台的设计与实现、系统选择与集成、图像处理的方法、电磁兼容问题及解决措施等,最终成功地实现了自主飞行,并在"枭龙杯"中国空中机器人大赛上获奖.设计方法在无人机系统试飞和比赛中都得到了验证,证明是有效的.     

助推-滑翔式弹道中段的近似解

研究了助推-滑翔式弹道中段的近似解。首先根据不同假设条件,给出以下四种情况的近似解:(1)自由飞行段的解;(2)只考虑气动力常迎角飞行段的近似解;(3)考虑引力和气动力的合成解;(4)平衡滑翔解。再由上述近似解合成助推-滑翔弹道中段的分段近似解。通过与数值解的对比,验证了近似解的合理性。研究结果可为新型助推-滑翔式飞行器在方案论证阶段时的弹道特性分析以及射程、峰值热流和过载等特征参数的估算提供依据。     

小型无副翼电动无人机横航向特性研究

通过理论计算,定量地研究了小型无副翼电动无人机的横航向操稳特性,对不同机翼上反角和垂尾面积进行了横航向模态特性计算与分析。通过模型飞行试验,对计算结果进行了验证,对横向和航向静稳定性进行了匹配,使飞机可以在无副翼的情况下通过方向舵较容易地进行横航向的控制,并具有良好的横航向操稳特性。     

高超声速风洞气动力试验技术进展

高超声速技术是未来航空航天技术的制高点,而高超声速风洞气动力试验是为高超声速飞行器设计和性能评估提供可靠数据不可或缺的重要技术手段。介绍了高超声速气动力试验设备种类和国内外典型的风洞设备,并分析了目前的发展现状。对国内高超声速风洞气动力试验相关测量技术、试验技术、试验数据评估和高超声速气动力标模体系等研究进展进行了总结。同时,还就高超声速气动力试验设备、气动力试验相关技术的未来发展趋势进行了探讨。     

轴向间距对转子叶片气动激励的影响

使用自行开发的非定常流动分析程序对尾迹、势干扰和激波共同作用下的某高压涡轮级非定常流动进行数值模拟,研究引起叶片表面非定常压力扰动的气动激励机制.通过叶片通道内的畸变跟踪,结合叶片表面压力扰动时空图,对激励源进行识别和分类;通过对叶片表面非定常压力的频域分析,建立了激励源与上游叶片通过频率的关系;定义压力扰动均方根作为气动激励强度的量化参数,分析叶排不同轴向间距下气动激励的变化规律.结果表明:减小轴向间距并保持涡轮级的落压比和效率基本不变时,气动激励随着轴向间距的减小而增强;压力扰动的高阶分量可能会激励扭转模态为主的振动.      

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力.建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所...     

非电传民机纵向气动参数辨识激励信号研究

针对非电传民机气动参数辨识时,须通过设计激励信号激发出与待辨识参数相关的飞机运动模态才能得到准确的气动参数的特点,开展了适用于非电传民机纵向气动参数辨识的激励信号设计方法研究。基于信号能量分布和幅频响应分析的信号设计方法,对激励信号进行参数设计;综合辨识效果和驾驶员的易操纵性,建议选取经参数设计后的单周期正弦信号作为非电传民机的纵向激励信号。试飞验证结果表明,所提方法能够较好地激发出飞机运动模态,使试飞数据具有较高的气动参数可辨识性。     

变截面悬臂梁结构动载荷辨识方法

在航空航天领域，作用在结构上动载荷的确定对结构健康监测是非常必要和重要的。为此，本文以类似机翼结构的变截面悬臂梁结构为研究对象，提出了一种基于光纤光栅传感器与卡尔曼滤波器的动载荷识别方法。首先，根据变截面梁单元形式，推导出变截面梁的质量矩阵与刚度矩阵，建立动力学运动方程。然后，以光纤光栅传感器测得的应变信息作为观测信号，通过卡尔曼滤波器生成的增益矩阵、新息序列矩阵以及协方差矩阵，得到灵敏度矩阵和估计力的增益矩阵。在此基础上，利用广义回归模型及其最小二乘算法，估算出动载荷大小、判断出动载荷激励位置。借助数值仿真与实验手段，分别验证了该方法对于单点正弦激励、方波激励、锯齿波激励以及多点同时激励等工况下的动载荷识别效果。结果表明，本文所提算法具有较好的动载荷识别效果和噪声抑制能力，能够为未来风洞试验和真实飞行试验环境中诸如大展弦比机翼表面气动压力等载荷实时辨识、气动外形自适应控制以及结构健康监测提供技术支撑。     

轴流压气机气动扩稳一类新措施的实验探索

采用外部绕流激励的方法研究非定常绕流对压气机气动稳定性的影响规律,并在此基础上探索了该措施的工程应用前景.通过模型实验验证了利用压气机内叶排间绕流的非定常耦合作用,优化匹配其周向气动布局方案,可有效的提升压气机稳定工作裕度,并改善其气动稳定性.结果表明:当绕流撞击强度达到某一阈值,并且当非定常绕流频率与非定常旋涡脱落特征频率发生耦合时,可较大幅度的提高压气机稳定工作裕度,其相对值可提高约22.1%.这一结论在压气机不同的折合转速工作状态下仍然得到了验证.     

极大似然法及在有控飞行器气动参数辨识中的应用

 <正> 一、引言 飞行器气动参数辨识作为系统辨识理论在航空、宇航领域的应用分支,在一些发达国 家受到了相当的重视,并且从70年代以来已形成了气动参数辨识软件包,不仅缩短了飞行器的设计、改型及性能分析的周期,并且还具有靠风洞实验或理论分析所不具备的优点。目前飞行器的气动参数辨识虽已有很大发展,但是对有控飞行器的闭环辨识问题仍未解决,分析传感器非线性因素对气动参数辨识结果的影响也不够深入。本文使用极大似然法,结合某有控飞行器的全弹道仿真数据,研究了在闭环飞行状态下进行气动参数辨识所存在的问题,分析了传感器的非线性因素对气动参数辨识的影响。     

内部声激励对汽车减阻降噪的研究

减小汽车行驶中的空气阻力，抑制行驶时的气动噪声具有十分重要的意义。汽车车身模型风洞实验表明，用内部声激励可获得有效的减阻效果，而且还能起到抑制气动噪声的效果。实验得出声激励的频率、强度、位置等参数与减阻率的关系，以及有、无声激励时模型表面压力系数分布情况，还得到了声激励对气动噪声频谱特性影响的有关规律。     

Aerodynamic Modeling and Parameter Estimation from QAR Data of an Airplane Approaching a High-altitude Airport

Aerodynamic modeling and parameter estimation from quick accesses recorder (QAR) data is an important technical way to analyze the effects of highland weather conditions upon aerodynamic characteristics of airplane. It is also an essential content of flight accident analysis. The related techniques are developed in the present paper, including the geometric method for angle of attack and sideslip angle estimation, the extended Kalman filter associated with modified Bryson-Frazier smoother (EKF-MBF) method for aerodynamic coefficient identification, the radial basis function (RBF) neural network method for aerodynamic modeling, and the Delta method for stability/control derivative estimation. As an application example, the QAR data of a civil airplane approaching a high-altitude airport are processed and the aerodynamic coefficient and derivative estimates are obtained. The estimation results are reasonable, which shows that the developed techniques are feasible. The causes for the distribution of aerodynamic derivative estimates are analyzed. Accordingly, several measures to improve estimation accuracy are put forward.