基于直升机舰面起降动态仿真的风限图计算

建立了基于直升机舰面起降动态仿真的风限图（WOD）计算方法,综合计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素的作用提升风限图计算的准确度。基于耦合舰船非定常尾流的飞行动力学模型,发展了适于直升机多轴协同操控的驾驶员模型,建立了舰面起降轨迹的数学描述和生成方法,形成计入舰船尾流、直升机运动和驾驶员操控等多因素综合作用的直升机舰面起降动态仿真方法。在此基础上,总结风限图计算判据,建立风限图计算方法。计算结果表明,某些风况下直升机在舰面起飞和降落过程中受到舰船尾流的干扰远大于在甲板上方悬停时受到的作用。本文方法能够捕捉到不同起降点和起降方式导致舰船尾流时空变化的干扰,与传统计算方法相比,显著提升了风限图计算的准确度。     

直升机着舰起落架动态响应

舰载直升机着舰过程复杂。与地面降落相比,舰面的不稳定气流使得直升机姿态难以保持,下降的速度更大,且由于直升机通常都是单轮着舰,导致起落架载荷很大。为了研究直升机在不同条件下着舰时起落架的动态响应,建立了机体/起落架/舰船耦合模型,将着舰过程中直升机的运动和舰船的运动联系起来,通过仿真计算得出起落架的动态响应。仿真计算结果表明:直升机着舰质量越大,起落架压缩量和载荷越大;直升机低头着舰会导致前起落架载荷显著增大;直升机着舰下沉速度过大会导致着舰载荷急剧增大,可能会对结构造成破坏。     

直升机-舰船动态配合着舰仿真研究

针对直升机-舰船动态配合研究的需求,开发了一种舰载直升机-舰船动态配合耦合模型.该模型以直升机飞行动力学模型为主体,包括了几个子系统模型,同时考虑了子系统间的相互影响与耦合作用.以UH-60A直升机与某型舰船的动态配合为例进行了着舰降落仿真研究.结果表明:流场、舰效和舰船运动等舰载因素加剧了直升机着舰过程中的机体姿态变化,增大了触舰速度,加大了着舰风险.     

耦合POD重构舰面流场的直升机舰面起降数值模拟

为解决舰面非定常流场数据量过大的问题,采用本征正交分解(POD)方法对舰面流场进行重构,发展了一种耦合POD重构流场的直升机舰面起降数值模拟方法。首先采用计算流体力学(CFD)方法计算舰面非定常流场,获得离散数据样本;然后提取流场的POD模态,并截取能够捕捉到原流场主要特征的少量模态对原流场进行重构;最后建立耦合重构舰面流场的直升机高阶飞行动力学模型。以直升机返航进场为例进行数值模拟,并将计算得到的操纵量和飞行状态与飞行试验结果进行对比。结果表明:使用POD方法重构后的舰面流场数据约为原始样本数据的8.5%,且重构流场与原始流场吻合良好,POD方法能够解决舰面非定常流场数据量过大的问题。与飞行试验数据的对比表明,本文方法捕捉到了舰面非定常流场对直升机的影响,可用于直升机舰面起降研究。     

舰载直升机着舰动力学分析

直升机的舰上起降是研究机一舰动态配合的主要内容，它是直升机起降安全和充分发挥其潜力的有力保证。为此从直升机舰上起降的特点出发，分析了舰船运动特性，空气尾流场变化规律，对直升机着舰及其着舰后的甲板运动力学进行了研究，最后简要地介绍了“风限图”的情况。     

直升机着舰降落操纵与动态响应研究

直升机在舰船上降落是一个非常复杂的过程,因此有必要对着舰降落阶段直升机的动态响应进行研究。首先,建立了直升机/舰船动态适配仿真模型。然后,通过UH-60A直升机的配平和操纵响应计算结果与飞行测量数据的对比,验证了仿真模型的准确性。最后,对直升机舰面降落操纵与动态响应进行了仿真计算与分析。研究结果表明:舰载环境对直升机着舰降落过程中的机体姿态变化有显著的影响;合理的操纵速率能控制直升机触舰时刻的机体姿态和角速率,减缓对甲板的冲击,保证直升机降落在限定着舰区域。     

直升机载舰空气尾流特性试验方法

舰船空气尾流场对直升机舰上起降安全有很大影响。因此，舰船空气尾流特性研究是机－舰动态配合研究的重要组成部分。笔者介绍了舰船空气尾流场风洞试验、流谱试验和地面模拟试验的方法及部分试验结果，其中的地面模拟试验及热线风速仪在外场条件下的应用是首次进行。     

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时，甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场，这不仅会影响直升机的安全起降，同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟，分析了不同风速下的人体受力情况，提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真，依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析，总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上，开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算，并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析，总结了甲板面人员作业危险区域。     

舰尾流对舰载机着舰轨迹和动态响应的影响研究

建立了飞机着舰下滑穿越舰尾流的六自由度飞行动力学模型.引入舰尾流数学模型,对下滑着舰过程进行了动态仿真.结果表明,舰尾流的周期性分量、稳态分量和随机大气紊流分量是飞机迎角和姿态变化的主要因素,最终导致实际着舰点偏离理想着舰点.     

格子-波尔兹曼方法在舰面流场计算中的应用

舰面流场对舰载直升机的起降安全性有显著影响,针对传统CFD方法在复杂模型仿真计算的不足,提出了以格子-波尔兹曼方法应用于舰面流场研究领域的课题。从基本原理和特性上介绍了格子-波尔兹曼方法,以美国船坞运输舰LPD-17为算例进行了计算仿真,分析了舰面流场的主要特征,通过对比以前的研究得出了相关结论。数值模拟表明,舰尾附近存在复杂的涡流影响,会给飞行器的起降造成困难。同时,基于格子-波尔兹曼方法的求解程序,具有较好的并行效率和计算精度,省去了复杂网格生成中人工作业,提高前处理效率,减少了网格处理中的不确定性,提高了复杂流场的分析效率和结果的可信度。     

Numerical study on flow control of ship airwake and rotor airload during helicopter shipboard landing

A numerical study on flow control of ship airwake during shipboard landing is carried out to address the effect of flow control devices on helicopter rotor airload. The in-house Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) based solver Rotorcraft AeroDynamics and Aeroacoustics Solver (RADAS), with combination of momentum source approach is employed to conduct the helicopter shipboard landing simulation. The control effects of three aerodynamic modifications of ship superstructure, i.e. ramp, notch and flap, in different Wind-Over-Deck (WOD) conditions are discussed. From the steady simulation results, the effect of spatial variation of ship airwake on rotor airloads is concluded. The aerodynamic modifications reduce the strength of shedding vortex and increase rotor normal force through delaying and relieving flow separation, and therefore are beneficial to alleviate the limitation of control inputs. By contrast, the perturbation of unsteady ship airwake can cause the serious oscillation of rotor forces during shipboard landing. The unsteady simulations show that the turbulence intensity of ship airwake and oscillatory rotor airloading, represented by Root-Mean-Square (RMS) loading, can be remarkably reduced by the ramp and notch modifications, while the flap modification has adverse effect. It means that flow control devices have large potential benefits to alleviate the pilot’s workload and improve the shipboard landing safety, but they should be well designed to avoid the introduction of more vortex, which leads to increase in disturbance of flow field.     

共轴式直升机舰面起降风限图计算

通过建立共轴双旋翼直升机的舰面起降飞行动力学模型,计算了某型共轴双旋翼直升机在某型舰上的起降特性。根据相关判据,得出该机舰组合的起降风限图。起降风限图为该直升机在舰上的安全起降提供了指导,有重要的实际意义。     

应用CFD方法的舰载直升机舰面气弹响应计算与分析

舰载直升机所处的环境恶劣,易出现旋翼桨尖过度挥舞及机身碰撞等事故,研究直升机舰面气弹响应可预防此类事故的出现。应用 CFD 方法获得舰船流场数据,结合桨叶动力学模型,综合提出旋翼气弹响应计算分析方法,研究不同来流速度、悬停位置与风向角下旋翼的气弹响应。结果表明：本文提出的气弹响应计算分析方法正确可行;舰船来流速度的增加...     

Aeroelastic analysis of a shipboard helicopter rotor with ship motions during engagement and disengagement operations

An aeroelastic simulation of a shipboard helicopter rotor with ship motions during engagement and disengagement operations is investigated to explore the coupled dynamic behavior between the rotor and the ship. A finite element analysis based on a moderate deflection beam model is employed to capture the flap, lag and torsion deflections of the rotor blade. The ship is treated as a six-degree-of-freedom rigid body. By using the Hamilton?s principle, system equations of motion are derived based on the generalized force formulation. The responses agree well with the test data of the rotor blade droop stop impact and the transient aeroelastic response of the shipboard teetering model rotor. Parametric investigations illustrate that the ship pitch motion has significant influence on the maximum negative displacement of the blade tip. Additional over 25% increase of the tip deflection can be introduced by the ship pitch motion. The aerodynamic and inertial couplings between the ship motion and the rotor have significantly nonlinear influence on the transient aeroelastic response. Both terms should be taken into account in the coupled helicopter–ship dynamics model.     

舰载直升机远海护航的巡逻警戒时机

针对远海护航过程中舰载直升机巡逻警戒时机选择问题,在分析影响舰载直升机巡逻警戒时机选择因素,对舰载直升机伴随护航能力进行评估的基础上,结合舰艇编队远海护航的实践,对舰载直升机伴随护航过程中巡逻警戒的时机进行了探讨。     

基于嵌套网格的舰载直升机流场仿真及风限图计算

为保证舰载直升机的安全,本文基于嵌套网格方法,针对CG-47提康德罗加级巡洋舰搭载UH-60“黑鹰”直升机的机舰组合进行了流场仿真。研究了此组合在不同风向角及风速下的着舰流场,并结合飞行力学模型计算了直升机操纵量和姿态角。根据安全着舰判据,绘制了此组合的理论风限图。结果表明:滚转角及周期变距操纵量均随来流速度增加,俯仰角则受到来流和舰上建筑的多重影响。风向角越小,最大着舰速度越大,且总体左侧大于右侧。     

直升机舰面动力学分析模型

建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程。无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动。舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素。     

舰船空气尾流场对直升机着舰的影响研究

舰船空气尾流场是直升机舰上起降时的主要环境条件,对直升机的操稳性能及飞行安全有很大的影响。通过某型舰模风洞试验的PIV结果,介绍了舰船空气尾流场特性,如:等速度场和截面流线图、舰船机库脱体涡等,分析了下冲气流、涡流区及开/关机库大门等对直升机着舰的影响,对保障直升机飞行安全有重要价值。