武器外挂和发射对直升机稳定性及运动参数的影响分析

本文从理论上分析了武装直升机外挂武器对直升机气动特性和稳定性的影响,计算了在悬停和前飞两种情况下武器发射后直升机的运动响应。结果表明,直升机外挂武器之后,其稳定裕度减小;武器发射时,直升机的基本运动参数会出现周期性的振荡。     

直升机外挂飞行中的飘摆问题

主要研究直升机外挂飞行中，由于操纵方式或直升机的稳定特性及外挂形式等原因，使直升机产生飘摆，飘摆会影响任务的完成及飞行安全、从飘摆的机理出发，重点分析飘摆产生的基本条件及横向飘摆产生的原因，以及县挂点位置、吊索长度、外挂物形状等对直升机和外挂物耦合运动的影响。并给出对飘摆的处置方法和预防措施。为保证飞行安全提供理论基础和实际飞行经验。     

基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统动力学建模

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.考虑重力、气动力和弹性力的影响,建立直升机-吊挂系统的Kane动力学方程.针对直升机本体和考虑吊挂绳索柔性的直升机-柔性绳索-吊挂系统这两种模型,计算了它们在不同前飞速度下的配平状态,分析了其运动模态并进行对比.仿真结果表明:外吊挂引入后,直升机需要额外的总距操纵;考虑吊挂绳索柔性后,直升机长周期运动的收敛/发散速度变慢;Kane方法适用于直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模,方程整齐简洁,编程求解方便.      

直升机外挂物投放安全性研究

以直升机投放外挂副油箱为例,基于计算流体力学(CFD)方法开展了直升机外挂物投放安全性计算研究。采用动态网格技术模拟外挂物副油箱与直升机的相对运动,计算研究了外挂副油箱空气舵、直升机旋翼下洗流和飞行状态对外挂副油箱投放安全性的影响规律。计算结果表明,增加空气舵有利于外挂副油箱的安全投放,但空气舵并不是越大越好;直升机旋翼下洗流对外挂副油箱投放的影响并不总是正面的,这取决于直升机飞行状态,故其影响不容忽视;而直升机的飞行速度越低、迎角越小、侧滑角绝对值越小,越有利于外挂副油箱的安全投放。     

前飞状态直升机总距操纵响应特性计算

本文对直升机运动方程中关键的旋翼气动力预测采用非定常分析计算模型,建立了时间推进自由尾迹方法。通过计算的孤立旋翼的总距操纵突变时的气动力响应与试验值的对比,验证了自由尾迹方法用于瞬时气动响应计算的有效性,然后利用嵌入自由尾迹模型的直升机运动方程分析了在前飞条件下,对旋翼进行总距阶跃突增及余弦突增操纵时,直升机载荷因子和平飞速度的时间响应历程。     

基于Navier-Stokes方程的旋翼前飞状态气动特性数值模拟研究

建立了一个适用于旋翼前飞状态非定常流场和气动载荷计算的数值方法。在该方法中,控制方程为惯性坐标系下的三维非定常Navier-Stokes方程,空间方向上将三阶逆风格式(MUSCL)与通量差分分裂方法相结合。为较好地模拟流动分离,采用了一方程的Spalart-Allmaras湍流模型,时间方向则采用双时间法推进求解。为计入桨叶的旋转、周期性挥舞和变距运动,采用了运动嵌套网格方法。此外,为了更真实地反映旋翼桨叶的实际运动,发展了一个旋翼配平分析模型及求解方法。应用所建立的方法,首先计算了具有先进气动外形的四片桨叶的UH-60A直升机旋翼悬停状态的流场及气动性能,验证了该方法对悬停状态旋翼气动性能数值模拟的有效性。在此基础上,着重对Caradonna模型旋翼无升力前飞状态和AH-1G直升机旋翼桨-涡干扰前飞状态的气动特性(表面压强分布、扭矩、气动载荷)进行了计算,数值结果和试验值吻合良好,表明本文建立的CFD方法对旋翼前飞状态流场的模拟和气动载荷的计算是有效的。     

直升机抛撒地雷的稳定性和动态响应研究

建立了直升机外挂抛撒地雷装置的飞行动力学模型,外挂装置的存在改变了直升机的气动特性,对直升机的稳定性也造成较大的影响。直升机受扰动后的响应主要取决于被扰动对象的稳定性和扰动向量,而直升机抛撒地雷产生的反作用力和力矩可作为主要的扰动力向量。在小扰动假设的基础上,建立了直升机抛撒物体的扰动运动方程,通过实例计算分别得出在对称-单发、非对称-单发,非对称-连续和不同飞行速度时,直升机速度、角速度和姿态角的动态响应,并对其进行对比分析。     

风-浪-舰耦合对舰船尾流场及直升机气动的影响

为研究波浪和舰船运动对高海况下舰载直升机起降的影响，建立了一套耦合风-浪-舰和直升机的多相流数值模拟方法。使用动态流体作用模拟舰船运动，采用动量源方法模拟直升机旋翼，对3～6级海况下ONRT舰船摇荡运动时的尾流场非定常气动特性进行了研究，并计算了UH-60A直升机旋翼气动载荷的时间历程。研究表明：6级海况下流场速度分量和旋翼气动载荷的波动达到5级海况的2倍，而3～5级海况之间的差别较小；悬停跟进时直升机不断出没于舰船运动导致的尾流中速度和涡量不同的区域，使得旋翼气动载荷有极强的非定常特性；在6级海况下，旋翼拉力与波浪-舰船耦合运动同周期的波动达到20%,并伴随着穿越尾流剪切层时产生的5～10 Hz的小扰动。     

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。     

外挂物连续投放和非对称投放动载荷计算

 以求解广义动力学方程为基础,分析了飞机在外挂物弹射投放时所引起的动载荷问题,实现了用直接矩阵提取方法（DMAP）计算外挂物连续投放动载荷;用半机模型计算全机外挂物非对称投放动载荷;以及未投放外挂物的多自由度动载荷计算问题。计算结果表明,该方法能有效地解决飞机的各种动载荷问题。     

直升机全机静力试验载荷分配研究

本文用SYZHFP程序按静力等效原则,结合静力试验的具体要求,对作用在直升机上的外载和惯性载荷进行合理的合并、平移和简化,最终得到全机静力试验所需载荷。     

带气弹稳定性约束的复合材料浆叶减振优化设计

研究以降低直升机旋翼激振力为目标的复合材料桨叶结构动力学减振优化设计 ,分析了桨叶结构特性及桨尖后掠角等参数对N次 /转旋翼桨毂振动载荷的影响。在建立的桨叶二维结构特性有限元分析方程中 ,计入了桨叶剖面翘曲变形的影响 ,并利用哈密尔顿原理推导了旋翼桨叶的一维非线性运动微分方程。以桨毂交变载荷为目标函数 ,直接以复合材料桨叶典型剖面构造节点数据、铺层设计参数和桨尖后掠角等为设计变量 ,引入桨叶挥舞惯量、固有频率和气弹稳定性约束 ,进行旋翼的动力学优化设计 ,并结合 3片桨叶旋翼的设计进行了算例分析 ,优化结果使 3次/转的桨毂载荷降低了 2 4 .9%～ 33%。     

基于CFD/CSD耦合方法的旋翼气动弹性载荷计算分析

为提高直升机前飞状态下旋翼非定常气动弹性载荷的预估精度,在旋翼气动弹性综合分析方法中引入旋翼CFD模块,建立了一套基于CFD/CSD松耦合分析的计算方法和程序。为高效解决流固耦合方法中由于桨叶挥舞、扭转等弹性变形带来的旋翼贴体网格变形问题,采用基于代数变换方法的网格变形技术,桨叶运动变形量和旋翼气动力信息通过流固交接面传递。旋翼流场分析方法中,主控方程采用耦合S-A湍流模型的Navier-Stokes方程,围绕旋翼流场的网格采用结构嵌套网格方法生成,无黏通量计算采用Roe格式,时间推进采用双时间法。旋翼结构分析中,考虑旋翼配平,基于Hamilton变分原理和20自由度Timoshenko梁模型求解弹性旋翼非线性运动方程。分别对CSD和CFD方法进行验证,在此基础上,计算了SA349/2旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动力、挥舞弯矩、摆振弯矩和扭转力矩,并与飞行测试数据进行了对比。计算表明:CFD/CSD耦合方法可以显著提高旋翼非定常气动弹性载荷的分析精度,精确捕捉桨叶表面压强峰值、激波位置等,表明本文发展的旋翼CFD/CSD耦合方法可以有效地运用到旋翼气动弹性载荷的预测分析中。     

空间机器人抓捕目标后的载荷分配

针对多臂空间机器人以软指接触形式抓捕目标后的情形,提出了一种综合考虑摩擦约束及机械臂能力约束的目标期望合外力的载荷分配方法。首先,建立空间机器人系统与目标的动力学方程,作为载荷分配问题的基础。然后,在地面机器人相关研究的基础上,建立机械臂末端与目标表面的软指接触模型,并建立二者之间的运动约束关系。为简化优化计算,将摩擦锥约束线性化,并建立考虑关节扭矩限制的机械臂能力约束,从而将抓捕力优化的非线性规划问题转化为线性规划问题。最后,采用双臂空间机器人模型进行数值仿真,表明所提方法针对目标各种形式运动进行载荷分配的有效性。     

直升机旋翼非定常气动力及结构动力响应计算

以二维非定常Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程为模型方程,采用Ｊａｍｅｓｏｎ有限体积并引入变系数隐式残值光顺及固接网格计算了直升机旋翼不同展向位置处翼剖面的非定常气动力,进而采用插值的方法模拟直升机在悬停及前飞状态下,旋翼的桨叶所受的非常气动力载荷,并将之与桨叶的结构振动方程相耦合,求解其时域内的结构响应,非定常下气动力计算结果与实验结果做了对比,两者比较吻合,旋翼结构响应计算结果合理。     

Simulation of a complex system for low helicopter airspeed measurement

The special features of construction, a model and the results of simulating an aeromechanical system for calculation of true helicopter airspeed vector components are considered; the system is based on the solution of equations for an “immobile” helicopter with the use of the Luenberger observer. It is proposed that the aeromechanical system be integrated with the system for measuring low helicopter airspeed on the basis of a stationary multichannel aerometric transducer.     

楔形底部直升机着水载荷和压力分布的估算方法研究

基于VonKarman和Wagner的水动力冲击理论，忽略冲击过程中浮力和粘性力的影响，将机身简化为V形楔形体，建立简化的刚体运动方程，对其求解得到楔形底部直升机着水载荷和压力分布估算方法。同时，将理论结果与试验数据进行相关性分析，验证了该方法的合理性。此估算方法适用于直升机的设计水线未被浸入的情况，可以用于楔形底部舰载机直升机的水上迫降载荷计算，为机身结构设计提供依据。     

直升机吊挂飞行平衡、稳定性与操纵性研究

建立带吊挂载荷的直升机飞行动力学模型,其中吊挂载荷为单点悬挂在直升机机身底部的六自由度模型,并计入了吊挂模型的气动阻力.对所建立模型进行配平,并将结果与参考数据对比.通过仿真计算分析了直升机吊挂前飞状态下的稳定性,此外,分析了在吊挂相关参数改变时直升机稳定性的相应变化,最后,分析了当施加纵向周期变距阶跃输入、横向周期变距阶跃输入以及尾桨距阶跃输入时带吊挂直升机的动力学响应历程.