共轴高速直升机飞行力学建模与验证

针对共轴双旋翼带尾推力桨构型的高速直升机的多旋翼气动干扰问题,发展了一种不同转速多旋翼的时间步进自由尾迹模型。将多旋翼复杂气动干扰的诱导速度分析结果整理成表,为飞行力学计算中的旋翼非均匀入流模型提供修正数据,从而降低计算量、提高分析精度。对共轴高速直升机的刚性桨叶进行挥舞模态一阶等效,建立了兼顾精度和计算效率的共轴高速直升机飞行动力学模型,并将旋翼试验结果与XH-59A的试飞数据进行了对比验证。结果表明:所建模型对旋翼气动力计算误差小于10%;而在飞行力学分析中,相比于自由尾迹方法大幅降低了计算量,且总距、横向周期变距和总距差动等通道计算误差均小于1°。     

共轴式直升机双旋翼载荷计算模型研究

理论计算和实验测量表明,共轴式直升机在悬停、前飞状态下,上下旋翼桨盘处轴向诱导速度分布与单旋翼直升机的相类似,本文根据共轴式直升机双旋翼这一特点,引入气动力相互干扰因子,将单旋翼直升机一阶谐波形式的Pitt-Peters静态非均匀入流模型推广到共轴式直升机,建立了一种共轴双旋翼载荷计算模型,为共轴式直升机飞行动力学建模作前期准备。以某共轴双旋翼为研究对象进行载荷计算,并与国外计算结果进行了对比,两者吻合较好。      

共轴双旋翼自转气动特性

为了研究共轴双旋翼自转状态下的气动特性,开展了共轴双旋翼自转气动特性理论和试验研究.采用叶素理论计算旋翼力及力矩特性,引入气动干扰模型及动态入流捕捉旋翼流场的变化,对共轴双旋翼自转状态下的气动特性进行了理论分析和计算.风洞吹风试验与理论模型计算对比分析表明:旋翼转速较大时的误差小于5%,验证了理论模型的有效性.获得了上/下旋翼转速及升力随着总距角、后倒角、上/下旋翼间距及风速的变化关系.对比分析了上/下旋翼的相互气动干扰强度,获得了有效的共轴双旋翼自转时旋翼拉力分配的计算方法.      

四倾转旋翼飞行器直升机模式操纵策略设计与验证

为解决四倾转旋翼飞行器直升机模式旋翼操纵冗余问题，建立了120 kg级四倾转旋翼无人飞行器飞行动力学模型，并依据不同操纵方式的功效变化进行操纵策略优选设计。应用串级PID控制理论设计了四倾转旋翼无人飞行器飞行控制系统，仿真分析操纵策略对姿态控制和轨迹控制响应的影响；用给定姿态指令和轨迹指令跟踪控制效果验证所设计操纵策略的合理性。研究结果表明：直升机模式下，纵向、横向通道用旋翼总距差动进行控制，航向通道用左右旋翼纵向周期变距差动进行控制时操控效率最高，控制响应快，且控制输出变化幅度小；面对外界风扰，使用该优选操纵策略，控制误差最小，抗扰性好。     

直升机飞行动力学数学建模问题

直升机飞行动力学数学模型是飞行控制系统设计的基础,也是直升机飞行品质设计和评估的主要手段。直升机是一个多体系统,在直升机飞行动力学建模过程中,必须考虑旋翼、机体与升力面等的运动耦合、惯性耦合、结构耦合和气动耦合以及非定常、非线性特性,给出各个运动部件的物理模型及其数学表达形式,是对不同假设、子模型进行分析和综合的一个复杂的过程。鉴于此,简要回顾了单旋翼带尾桨直升机飞行动力学数学模型的研究现状,着重描述了直升机飞行动力学数学建模中的旋翼气动力建模、直升机气动干扰建模、旋翼/发动机建模以及直升机飞行动力学模型的集成与综合的研究现状与研究进展。最后,针对直升机飞行动力学的数学建模提出了今后的研究重点。     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

基于涡环尾迹模型的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学建模

共轴刚性旋翼直升机上下旋翼间距小,旋翼间气动干扰较为复杂,影响飞行动力学特性。针对这一问题,利用涡环单元动态尾迹方法构建了共轴旋翼气动力模型,通过与风洞试验结果比对说明该模型能够准确地计算存在气动干扰时共轴旋翼的气动力特性。以该共轴旋翼气动力模型为基础,建立了共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,并以XH-59A直升机为研究对象,计算了前进比为0~0.4时的配平特性。通过与飞行试验数据的比对发现：该飞行动力学模型与飞行试验结果比对良好;且模型计算速度较快。通过对配平结果以及旋翼尾迹运动的分析发现：共轴刚性旋翼直升机旋翼间气动干扰会增加悬停和低速前飞时的配平总距和总距差动;低速前飞时的纵向周期变距负梯度现象是由于旋翼间气动干扰与刚性旋翼挥舞运动特性叠加而造成的。     

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

一种改进的四旋翼飞行器建模方法

四旋翼飞行器的高精度动力学建模对于飞行控制性能的提升具有重要意义。传统的动力学模型是基于单个旋翼的力、力矩特性推导的,忽略了飞行器的整体动力学特征。考虑到四旋翼飞行器在机动情况下的整体动力学特点,对传统动力学模型进行了改进,在阻力模型中增加了角加速度相关项,在扭矩模型中增加了阻力相关项,在横滚与俯仰力矩模型中增加了切向力相关项,从而提高了模型的精度。通过四旋翼飞行器飞行试验对模型精度进行了验证,结果表明改进的动力学模型相较于传统模型具有更高的精度,对于飞行器的准确建模具有较好的参考意义。     

复合式共轴直升机飞行动力学数学模型研究

建立了复合式共轴直升机的飞行动力学数学模型。根据复合式共轴直升机的构型特点,计入上下旋翼,旋翼与机翼之间的相互气动干扰,建立了旋翼、机翼等部件的气动计算模型。以某小型复合式共轴直升机为例,运用牛顿迭代法完成了3种飞行模式下的配平计算,得到了从悬停到高速前飞各种飞行状态下的操纵量和状态量,分析了复合式共轴直升机飞行的物理...     

一种针对结构损伤的非线性容错飞行控制方法

飞机结构损伤会引起气动参数变化,进而影响系统的静稳定性和控制精度。针对具有多输入的非线性飞机模型,利用带有二阶命令滤波器的自适应反步控制方法在线估计飞机气动参数,补偿结构损伤导致的气动参数变化对控制系统的影响,以实现容错飞行控制功能;引入的命令滤波器可以避免反步控制中复杂的求导运算。从理论上分析证明了带有二阶命令滤波器的自适应反步控制的闭环系统稳定性,并给出了控制跟踪误差的理论上界和二阶命令滤波器频率参数选取的下界。通过一个大型客机垂直尾翼脱落场景的仿真实验,验证了所提容错控制方法的有效性。     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

倾转旋翼飞行器飞行仿真建模

本文分析了旋翼与机体之间空气动力学干扰,推导了在过渡状态时旋翼尾迹对机体空气动力学干扰计算的简化方程,建立了一个全量倾转旋翼飞行器飞行力学数学模型,引进遗传算法进行配平计算,并对倾转旋翼飞行器飞行特性进行了简单分析.样例倾转旋翼飞行器在直升机模式时,操纵通道的操纵响应都不稳定,说明单独操纵飞行器某一通道时响应是不稳定的.随着向飞机模式的转换,操纵通道的主操纵响应逐渐稳定.     

倾转三旋翼飞行器地面效应风洞试验

倾转旋翼飞行器在近地悬停或低速前飞时有明显的地面效应,对飞行器的气动载荷有强烈影响。针对倾转三旋翼(TTR)飞行器的地面效应问题,采用0.5 的缩比模型,在低速回流式开口风洞中设计了可移动地面平台,模拟TTR飞行器悬停和低速前飞时的离地高度,利用杆式天平测量机体所受载荷大小并使用粒子图像测速(PIV)技术捕捉机体下方的动态流场。试验结果表明:当TTR飞行器悬停离地高度在1.25倍旋翼直径以下时,地面效应影响显著,机体受到的最大上载荷约为旋翼总推力的4%,并观测到明显的涡旋喷泉流现象;在低速前飞状态,受旋翼尾流和前向来流影响,相对于悬停状态机体所受上载荷明显减小,喷泉流中心后移。试验结果对TTR无人飞行器动力系统选择,控制増稳系统设计以及借助地面效应优势提高承载能力具有一定参考价值。     

Time-varying linear control for tiltrotor aircraft

Tiltrotor aircraft have three flight modes: helicopter mode, airplane mode, and transition mode. A tiltrotor has characteristics of highly nonlinear, time-varying flight dynamics and inertial/control couplings in its transition mode. It can transit from the helicopter mode to the airplane mode by tilting its nacelles, and an effective controller is crucial to accomplish tilting transition missions. Longitudinal dynamic characteristics of the tiltrotor are described by a nonlinear Lagrange-form model, which takes into account inertial/control couplings and aerodynamic interferences. Reference commands for airspeed velocity and attitude in the transition mode are calculated dynamically by visiting a command library which is founded in advance by analyzing the flight envelope of the tiltrotor. A Time-Varying Linear (TVL) model is obtained using a Taylor-expansion based online linearization technique from the nonlinear model. Subsequently, based on an optimal control concept, an online optimization based control method with input constraints considered is proposed. To validate the proposed control method, three typical tilting transition missions are simulated using the nonlinear model of XV-15 tiltrotor aircraft. Simulation results show that the controller can be used to control the tiltrotor throughout its operating envelop which includes a transition flight, and can also deal with vertical gust disturbances.     

带有执行器约束条件的模糊自适应反步控制

针对高超声速飞行器在飞行控制过程中存在外界干扰以及考虑执行器的动态特性等问题,结合飞行器纵向模型的特点,考虑舵的动态特性,分别设计了基于动态逆的速度控制器和基于指令滤波器采用Backstepping控制方法的高度控制器。模糊自适应系统用来在线辨识飞行器模型由于气动参数的变化而引起的不确定性。运用Lyapunov理论分析闭环系统的稳定性,证明了包含跟踪误差在内的所有信号满足半全局一致稳定。最后通过仿真对控制器的控制效果进行验证,得到了较为满意的控制效果。     

QFT force loop design for the aerodynamic load simulator

A dynamic load simulator which can reproduce on-ground the aerodynamic hinge moment of a control surface is an essential rig for conducting performance and stability tests of aircraft actuation systems. The hinge moment varies widely over the flight envelope, depending on the specific flight condition and maneuvering status. To replicate the wide spectrum of this hinge moment variation within some accuracy hounds, a force controller is designed based on the Quantitative Feedback Theory (QFT). A dynamic model of the load actuation system Is derived, and compared with experimental results. Through this comparison, a nominal model of the load actuation system with some uncertainty bounds is developed. The efficacy of the QFT force controller is verified by a numerical simulation, in which combined aircraft dynamics, flight control law and hydraulic actuation system dynamics of the aircraft control surface are considered     

非对称结构损伤飞机鲁棒容损控制器设计

当飞机发生非对称结构损伤时,飞机的质量、重心位置和气动特性都会发生突变,飞机机体的对称性遭到破坏,致使飞机的横纵向间运动产生强烈的耦合。针对飞机发生非对称结构损伤时导致的飞行控制问题,建立了非对称结构损伤飞机的损伤模型,并基于一种新型鲁棒容损控制策略,采用非线性扩张状态观测器和非线性动态逆相结合的方法,对飞机的姿态控制器进行了设计,兼顾了飞机系统的性能和对损伤的鲁棒性。最后,基于NASA的通用运输机模型,对所设计控制器的控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明,设计的姿态控制器有效地抑制了非对称结构损伤给飞机控制系统带来的不确定性和扰动,具有较好的控制性能。