乘波体荷兰滚模态特性研究

乘波体非轴对称、扁平、大长细比的几何外形特点决定了其存在严重的横航向耦合动稳定性问题。目前对乘波体横航向稳定性的研究还相对较少,且一般只针对单一外形,对飞行器设计未能获得有指导意义的定性、定量结论。以幂次乘波体为研究对象,首先引入设计参数kw和φ描述其外形特点,然后结合CFD数值模拟和Kriging代理模型,获得了整个设计参数空间内乘波体的静/动导数,进而通过求解飞行动力学耦合方程特征根获得乘波体的横航向耦合动稳定荷兰滚模态特性。定义了荷兰滚动稳定性导数的概念,推导了荷兰滚阻尼近似表达式,解释了不同攻角下荷兰滚模态发散/收敛的成因,获得了荷兰滚阻尼随设计参数和攻角的分布规律。推导了荷兰滚频率近似表达式,获得了荷兰滚频率随设计参数和攻角的分布规律。     

飞翼布局横航向气动导数的总体估算方法研究

根据飞机设计初级阶段所得到的总体布局参数,建立并估算飞翼布局横航向气动导数的数值计算模型,对模型进行了算例分析,与计算流体力学方法(CFD-FASTRAN)、风洞实验所得的横航向气动导数做了对比分析.结果表明,基于总体布局参数估算的横航向气动导数简洁、快速、合理.     

飞翼布局无人机着舰飞行动力学分析

飞翼布局无人机具有独特的气动特性,研究飞翼布局无人机着舰飞行动力学特性对设计无人机着舰控制律具有重要意义。针对飞翼布局无人机着舰下滑飞行过程,建立六自由度飞行动力学模型,并通过对着舰飞行轨迹稳定性的分析,根据飞行品质对飞行轨迹稳定性的约束,计算达到一级飞行品质要求的着舰飞行速度。通过配平计算和小扰动线性化处理,得到无人机着舰下滑运动线性模型,并分析无人机纵向和横航向的固有模态特性。结果表明,飞翼无人机着舰下滑过程中,纵向的长、短周期模态及横航向的滚转和螺旋模态收敛但收敛慢,荷兰滚模态发散。     

吸气式高超声速飞行器多学科动力学建模

高超声速飞行器一体化设计中存在气动/热/推进/结构弹性相互耦合的问题,首先根据飞行器的机体/发动机一体化设计思想构造了二维高超声速飞行器模型,并基于激波/膨胀波原理和动量定理建立了气动力模型,采用Chavez和Schmidt建立的超燃冲压发动机推进系统模型;在飞行器结构方面,引入变截面和变质量分布的自由梁结构模型,并采用Eckert参考焓方法分析的气动加热过程中承力梁不同轴向位置温度随时间变化特征,在此基础上运用模态法计算了燃料消耗和气动加热条件下结构的固有频率和振型特征,获得结构弹性变形的模型;最后建立了考虑热气动弹性和推进系统作用的飞行动力学方程。研究结果表明:质量变化对结构弹性特性影响比较显著,而气动加热的影响主要表现在振动频率方面,且会随着加热过程的持续而逐渐增强;结构变形会改变飞行器静配平状态,特别是在机体质量较大的最初飞行阶段,气动加热会强化结构变形对配平特征的影响;线性化系统的动力学特征分析表明,质量减小和结构变形均会增加短周期模态和振荡模态的不稳定特性,而对高度特性的影响不大,气动加热效应会进一步增加飞行力学和气动弹性的耦合特征,并导致弹性模态的稳定性降低。     

高速自旋飞行器气动参数辨识

根据高速自旋飞行器运动的特点，发展了气动参数辨识的一种数学模型，辨识参数包括静态气动导数、气动阻尼导数和马格努斯力矩导数等。仿真算例证实了该数学模型的有效性。应用该数学模型分析处理了某高速自旋飞行器的飞行试验数据．辨识获得了其主要气动参数，并分析了若干常见误差源对气动参数辨识结果的影响。     

农林飞机近地作业飞行的横航向稳定特性

 分析了地面效应对飞机产生附加滚转和偏航力矩的气动新机理,研究了农林飞机近地作业飞行时横航向气动特性随高度的变化规律,推导了考虑地面效应影响时的飞机横航向静稳定性新准则,并分析了不同飞行高度时这些静稳定性的变化趋势。采用地效区内飞机的运动方程,计算并分析了农林飞机不同作业高度下的横航向模态特性及变化规律,并进行了模态特性的简化和验证分析。     

斜置机翼变构飞行器纵向操稳特性分析

以一类斜置机翼变构飞行器为研究对象,分析了变构对其气动特性和运动状态的影响及其操稳特性。运用牛顿-欧拉法建立了飞行器多刚体纵向动力学模型,突出了斜置机翼变构时所产生的模型差异;基于动力学模型,研究了斜置机翼变构对飞行器气动特性和飞行状态的影响规律;结合飞行器的气动数据对飞行器纵向操稳特性进行了分析。结果表明：对于机翼整体质心与机身质心在x₁O₁z₁平面重合的斜置机翼飞行器,机翼旋转变构对飞行器整体只产生了绕z轴方向的附加力矩,总的附加力为零;变构过程改变气动压心位置,使飞行器产生静不稳定;由于飞行器不同状态下对舵偏的传递函数中阻尼系数过小,导致飞行器的超调量和调节时间异常,需要进行修正。     

大迎角气动导数对飞机横航向飞行品质的影响

以第三代战斗机为例,采用等效系统方法,通过计算并讨论飞行品质指标滚转模态时间常数(Tr),荷兰滚模态的阻尼比(ζn)和频率(ωn)及驾驶员座位处的侧向加速度(ayp)随气动导数的改变特征,研究在失速迎角前大迎角气动导数对具有现代控制系统的飞机横航向飞行品质的影响.结果表明,气动导数Cιδα和Clp主要影响Tr及ayp;Cnδr,Cnr,Cnβ及Cyβ主要影响ζn或ωn;Cιβ的影响相对较小.     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

W型无尾飞机的操纵机理与稳定特性研究

 W型无尾飞机基于前掠翼及翼身融合的一体化设计,取消了平尾和垂尾,可大幅降低雷达反射截面积,减轻结构重量;同时具有亚声速气动效率高、横航向操纵面效率高的优势。根据该构型的特点,配置设计了新型的多操纵面,并研究了其新的操纵机理。在此基础上,计算分析了这一新布局飞机特殊的三轴稳定特性,研究表明,W型无尾飞机的纵向阻尼不足,纵向短周期和长周期模态分别仅满足III级和II级飞行品质;横航向都是静不稳定的,动稳定性表征为滚转模态的发散和荷兰滚模态稳定,并分析了其可能的物理成因。最后研究了横航向静稳定性导数对W型无尾飞机横航向稳定边界的影响。研究方法和结果对于新布局飞机初步设计具有重要参考价值。     

Effects of yaw-roll coupling ratio on lateral-directional aerodynamic characteristics

Experimental investigation of large amplitude yaw-roll coupled oscillations was conducted in a low-speed wind tunnel using an aircraft configuration model. A special test rig was designed and constructed to provide different coupled motions from low to high angles of attack.A parameter ‘‘coupling ratio" was introduced to indicate the extent of yaw-roll coupling. At each pitch angle, seven coupling ratios were designed to study the yaw-roll coupling effects on the lateraldirectional aerodynamic characteristics systematically. At high angles of attack, the damping characteristics of yawing and rolling moments drastically varied with coupling ratios. In the coupled motions with the rotation taking place about the wind axis, the lateral-directional aerodynamic moments exhibited unsteady characteristics and were different from the ‘‘quasi-steady" results of the rotary balance tests. The calculated results of the traditional aerodynamic derivative method were also compared with the experimental data. At low and very high angles of attack, the aerodynamic derivative method was applicative. However, within a wide range of angles of attack, the calculated results of aerodynamic derivative method were inconsistent with the experimental data, due to the drastic changes of damping characteristics of lateral-directional aerodynamic moments with yaw-roll coupling ratios.     

临近空间太阳能飞行器着陆状态阵风响应

对临近空间太阳能飞行器着陆状态时的阵风响应问题开展了数值模拟研究。针对该类飞行器质量轻、柔性大、降落时速度低的特点,基于 CFD/CSD松耦合分析法,利用网格速度法引入阵风载荷。以 1-cos阵风模型为基础,探讨了飞行器着陆状态遭遇二维阵风载荷时,其翼尖位移、扭转角、翼根所受结构整体弯矩以及升力系数的变化特性;并将二维阵风响应结果与一维阵风响应结果进行对比;获得了临近空间太阳能飞行器着陆时,二维阵风沿飞行器翼展方向的变化对其结构和气动性能的影响规律。     

基于在高原机场降落的喷气运输机QAR数据的飞行特性分析(英文)

Flight data of a twin-jet transport aircraft in revenue flight are analyzed for potential safety problems.Data from the quick access recorder (QAR) are first filtered through the kinematic compatibilit...     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.     

飞机平尾偏转对大迎角动态气动特性的影响

给出了 BJ-1背景机有不同平尾偏角时静态和大振幅俯仰振荡情况下的气动特性。根据风洞实验结果,采用基于三角剖分数据库建模的方法,计算了任意平尾偏角和任意振动频率时的背景机动态气动特性,与实验结果比较表明,提出的有平尾偏角的建模方法能提供任意舵偏时的全机气动特性。在非定常建模的基础上,采用动导数仿真,分析了不同平尾偏角时的动导数,结果表明,水平尾翼偏角主要对零动态阻尼所对应迎角有较大影响,随着舵偏角的增大,该迎角减小。     

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。     

鸭式旋翼/机翼飞机悬停状态飞行动力学特性

针对鸭式旋翼/机翼(Canard Rotor/Wing,CRW)飞机独特的气动布局,常规的分析方法及经验公式很难准确地对CRW飞机进行飞行动力学研究,通过飞行辨识对CRW飞机悬停状态特性进行了研究。首先,设计了飞行试验并获得了高质量的飞行数据,基于频率响应对CRW飞机的状态空间模型进行了简化。然后,在频域内对飞机的动力学参数进行了拟合优化,获得了CRW飞机悬停状态的动力学模型,并用飞行数据对所建模型进行了验证。最后,用辨识所得参数与常规直升机悬停状态时的参数进行了对比。结果显示悬停时CRW飞机的操纵导数和阻尼导数均比常规直升机小,经分析,操纵导数的减小主要是CRW飞机独特的旋翼设计所致,阻尼导数减小的原因主要是旋翼气动影响以及鸭翼、平尾、垂尾的结构影响。动力学特性分析结果为CRW飞机旋翼模式总体设计的进一步优化提供了指引和参考,所建立的模型可用于控制系统设计。     

一种提高风洞动态试验数据质量的模型姿态控制和测量技术

低速风洞动态试验装置通常采用“电机+减速器+偏心机构+线性传动机构”的方式,存在传递环节多、机械间隙大等问题,给模型运动的精确控制和模型姿态的精确测量带来较大困难。为满足大型客机等大飞机对低速风洞动态试验的要求,基于现有的静态试验通用支撑平台,采用“电子凸轮”技术,建立了一套迎角/侧滑角解耦、可进行飞机小振幅动导数和大振幅非定常气动特性研究的动态试验装置。利用该动态试验装置进行了某飞机大尺度动态试验模型动导数试验和大振幅振荡试验,获得了试验数据的重复性,并研究了动态试验数据和静态试验数据之间的相关性。试验结果表明：利用该装置获得的某飞机动态试验数据重复性较好、规律合理,能满足大型飞机动态试验要求。     

15米翼展太阳能飞机机翼颤振分析和刚度设计

太阳能飞机小刚度和大变形的特点导致其普遍存在颤振问题,因此有必要合理建立太阳能飞机的动力学模型并进行颤振分析。以国内某15米翼展太阳能飞机为研究对象,建立初始的动力学模型,然后根据目标颤振速度调节模型刚度,得到了与目标颤振速度匹配的机翼主梁刚度,从而实现太阳能飞机的动力学反向建模,并在此基础上进行颤振分析,形成完整的太阳能飞机颤振分析设计方法。结果表明:该机翼扭转刚度增大70%,其颤振速度可提高29%。本文方法可用于指导15米太阳能飞机的防颤振设计。