后缘襟翼压电作动机构动特性影响因素分析

智能旋翼主动控制技术是直升机旋翼减振的前沿技术,准确预测与分析后缘襟翼压电作动机构的动特性是智能旋翼结构设计和调频优化的基础。针对后缘襟翼压电作动机构进行有限元建模、发展计及机电耦合和刚柔耦合系统的动特性计算方法并进行动特性分析,分析研究中考虑了压电作动器、离心力片、驱动连杆和后缘襟翼等组合的复杂系统;针对作动机构动特性影响因素如离心力片厚度、小翼力臂长度、机电耦合效应等参数进行了灵敏度分析,为后续智能旋翼调频优化提供技术支撑。     

压电驱动机构在直升机ACF智能旋翼上的应用

直升机的主动控制襟翼（ACF）型智能旋翼技术通过驱动机构带动旋翼后缘襟翼局部高频偏转，产生反相高阶气动载荷来抵消或降低旋翼高阶振动载荷，达到降低旋翼振动的目的,是直升机旋翼动力学领域发展的最新趋势之一。本文围绕使用压电材料驱动的后缘襟翼驱动机构，系统梳理了国内外各类驱动机构构型的发展历程和验证现状，对几种典型构型驱动机构的力学输出特性进行了对比分析，阐述了国内外技术差距并指出国内当前研究面临的几个主要问题，为后续国内压电驱动机构的选型、可靠性设计以及性能优化等提供参考。     

直升机桨叶连续后缘襟翼设计与气动影响分析

在直升机旋翼减振应用中,连续后缘襟翼和常规分离式襟翼相比具有重量轻、结构紧凑、气流平稳等优点。选用压电纤维复合材料作为驱动材料,基于NACA23012翼型设计带有连续变形后缘襟翼的桨叶段,对襟翼及其驱动结构进行选材设计分析;采用流固耦合方法分析连续后缘襟翼对剖面翼型气动特性的影响。结果表明:连续后缘襟翼在直升机桨叶工作迎角、马赫数范围内可实现有效偏转,显著改变翼剖面气动升力和力矩,证明了连续后缘襟翼在旋翼减振控制中的潜在应用价值。     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

民用飞机后缘襟翼机构设计仿真计算研究

研究了民用飞机后缘襟翼运动机构,并对几种常见的机构形式进行了对比分析。重点研究连杆滑轨机构,它具有驱动力矩小和襟翼扭转力矩小的特点,并且在飞机起飞时襟翼偏角小,同时有较大的富勒运动。根据连杆滑轨机构的特点和机构学理论,建立数学仿真计算模型,并用C++编写了计算仿真软件。文中针对某飞机后缘襟翼参数,通过计算仿真软件计算出襟翼偏角与富勒运动量、缝隙之间的关系以及驱动角与襟翼偏角、富勒运动量、缝隙之间的关系,取得良好结果,证明了该方法的可行性。     

基于双X驱动机构的智能旋翼模型试验

直升机的减振降噪是直升机发展史中一直面临的一个重要课题。本文主要开展了基于推挽式双X型驱动机构的主动后缘小翼型智能旋翼模型的初步设计分析与试验研究。对智能桨叶及驱动机构进行了设计分析和加工,对驱动机构进行了优化,进行了不旋转状态下的试验,验证了该方案的可行性。     

采用智能材料的变弯扭机翼实验研究

以飞翼布局为研究对象,对常规和智能两种后缘襟翼模型进行了对比试验,在风洞中探索用智能材料植入机翼代替常规铰接式后缘襟翼的气动效益。本文给出了在北航D1风洞1/20半模模型对比风洞试验的结果,结果表明:在与常规襟翼相同偏角情况下,智能襟翼具有更大的增升效益;在常规襟翼失效的偏角情况下,智能襟翼仍能提供额外升力;在实验攻角范围内智能襟翼比常规襟翼平均增升20%以上。     

后缘襟翼对直升机旋翼翼型动态失速特性的影响

 针对带后缘襟翼的智能旋翼直升机典型襟翼参数对翼型动态失速特性的影响进行了研究。建立了带后缘襟翼的桨叶动态失速模型,考虑了襟翼与桨叶之间的缝隙和襟翼在运动过程中相对桨叶的凸起,采用计算流体力学(CFD)方法,研究了不同襟翼转轴位置和襟翼与桨叶的缝隙情况下的翼型动态失速特性,探讨了后缘襟翼激励幅值、时长和起始时刻对升力和俯仰力矩系数的影响。研究结果表明:后缘襟翼能够较好地改善翼型动态失速时的气流环境,并减缓动态失速发生;襟翼激励最优幅值在25°附近,最优激励范围在方位角为240°~360°之间;襟翼转轴后移导致襟翼运动时产生的凸起会使襟翼控制效果减弱;襟翼与桨叶的缝隙会影响翼型动态失速特性,但是缝隙的长度(弦长的2%以内)对襟翼控制效果的影响很小。     

电控旋翼气动特性建模与风洞试验验证

首先建立了带襟翼翼型的非定常气动力模型,继而基于Peters-He广义动态尾迹理论,考虑襟翼偏转对电控旋翼叶素环境的影响,建立了电控旋翼有限状态尾迹模型;进一步基于Theodorsen理论推导出电控旋翼桨叶挥舞响应与桨叶变距和襟翼操纵量的关系,综合以上建立了电控旋翼气动特性分析模型.以改进型电控旋翼试验系统为平台进行了风洞试验,测量了不同风速、不同襟翼操纵条件下的电控旋翼气动力、桨距、襟翼偏角及旋翼挥舞角的变化情况.理论计算结果与试验数据符合情况良好,验证了所建立的分析模型的正确性,并得出以下结论:旋翼转速一定时,桨叶变距与襟翼操纵基本呈线性关系;旋翼拉力随襟翼总距的增加而逐渐减小,襟翼总距较大时,其实际气动效率略有下降;前飞状态时,襟翼总距操纵会引起桨叶的纵向周期变距.      

加装格尼襟翼的自转旋翼气动特性研究

为了研究格尼襟翼对自转旋翼气动特性的影响,首先建立了翼型加装格尼襟翼的二维气动特性计算模型,分析了NACA0012翼型及该翼型加装1%、2%弦长高度格尼襟翼的气动特性,理论计算结果与试验结果的对比表明了本计算模型的正确性。基于叶素理论建立了自转旋翼动力学模型,采用Pitt-Peters动态入流模型捕捉自转旋翼诱导速度沿桨盘的非均匀分布特性。最后进行了自转旋翼加装不同高度格尼襟翼的气动特性分析,结果表明:翼型加装1%弦长高度的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小可达26%;加装高度为2%弦长的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小达17%。自转旋翼的气动效率得到明显提高。     

电控旋翼气弹动力学建模研究

研究了电控旋翼的气弹动力学建模方法.以有限元旋翼气弹分析程序LORA01为基础,首先给出了一种能计及襟翼移轴补偿影响的时域综合非定常气动力模型,并将伺服襟翼作为额外引入的质量体计入结构动力学模型;之后结合有限元法,根据Hamilton原理导出由广义力表示的带襟翼桨叶非线性运动方程,采用基于Newmark方法的隐式数值积分法对桨叶运动方程进行求解.最后,利用主动控制襟翼旋翼的试验数据对模型进行了比较验证,证明了所建模型的正确性.     

基于机体当量化的滑橇式直升机地面共振分析

针对滑橇式直升机不便于建立空间模型进行地面共振分析的问题,提出了基于有限元将机体参数当量至桨毂中心,当量结果可通过扫频激振试验验证,再采用平面模型进行地面共振分析的方法。采用所计算的当量参数对某型滑橇式直升机地面共振进行仿真分析,结果表明:该型机机体一阶模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速在旋翼启动加速过程中可能达到,但系统具有足够的阻尼确保不发生地面共振;机体二阶以上模态与旋翼摆振后退型模态的共振转速远大于额定转速,不会引发地面共振。     

后缘小翼对旋翼气动特性的控制机理及参数分析

针对后缘小翼（TEF）的典型运动参数对旋翼气动特性的控制进行了分析研究。为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于前飞状态带后缘小翼旋翼的运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程、k-ω剪切应力输运（SST）湍流模型和Roe-MUSCL插值格式,采用含LU-SGS隐式推进的双时间方法及并行技术,建立了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼前飞非定常流动特性模拟的高效CFD方法。以带后缘小翼的SMART旋翼为算例,对比了桨叶剖面等效法向力的计算结果,验证了CFD方法的有效性。着重开展了前飞状态旋翼后缘小翼的控制分析,在操纵量不变的情况下,分别研究了后缘小翼偏转幅值、偏转频率、安装位置及宽度等参数对旋翼气动力的影响特性,获得了典型参数对旋翼气动特性的控制规律。进一步研究了配平状态下后缘小翼对旋翼气动特性的参数影响。结果表明：后缘小翼可以充分发挥旋翼在前行侧的升力潜能,同时降低后行侧动态失速过程中旋翼的阻力和扭矩;在相同的旋翼拉力情况下,通过安装后缘小翼可以将旋翼阻力系数和扭矩系数分别降低17%和29%,升阻比提高14%。     

襟翼不对称运动和襟翼倾斜的保护逻辑研究

实现高升力系统的故障保护对提高电传飞机安全性具有重要的意义.本文描述了高升力系统后缘襟翼的架构;针对不对称故障和倾斜故障的监控和和保护方式问题,分析了上述两类故障的监控和保护措施及其工作逻辑,在确定工作逻辑的阈值参数时综合考虑了检测和确认故障、襟翼动力驱动装置的制动过程以及系统机械误等因素;建立了故障保护逻辑的Simulink模型,并对不同的失效情况进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的故障保护措施能够很好地监控系统并防止故障蔓延,研究结果对民机高升力系统设计具有一定的借鉴意义.     

基于运动学方法的某型飞机增升机构装配特性计算与分析

针对某型飞机增升系统襟翼机构装配尺寸超差问题,提出基于机构运动学分析方法的襟翼机构装配特性研究技术方法。在建立该型飞机襟翼系统主要结构三维模型的基础上,采用运动学计算实现了襟翼机构收放过程的富勒运动仿真,该过程襟翼两端开度计算值与实测值吻合良好。开展襟翼装配仿真计算,将等效可调参数作为设计变量,通过水平正交试验得到襟翼装配尺寸特性和响应面规律,指导实际装配调试工作。     

重载四旋翼无人机结构优化设计与强度计算

多旋翼无人机结构设计是无人机研制的重要环节,结构优化设计方法是保证无人机安全飞行、提高无人机性能的关键。根据重载四旋翼无人机性能要求,设计一款最大有效载荷10kg、可折叠、质量轻、强度高的四旋翼无人机。建立无人机结构有限元模型,基于实际工况对机臂及中心板进行静力及屈曲分析;对机臂及中心板的铺层方案进行优化,校核结构强度、刚度和稳定性;并搭建无人机静力测试平台,完成重载四旋翼无人机结构静力加载试验。结果表明:相对结构初始铺层方案,机臂减重43%,中心板减重35%,全机结构累计减重560g;试验测点的应变值与分析值相对误差小于15%,验证了无人机有限元模型和优化设计方案的可靠性。     

基于后缘小翼的旋翼翼型动态失速控制分析

针对后缘小翼(TEF)的典型运动参数对旋翼翼型动态失速特性的控制进行了研究。发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型非定常流动特性模拟的高效、高精度CFD方法。通过求解Poisson方程生成围绕旋翼翼型的黏性贴体和正交网格,为保证后缘小翼附近的网格生成质量,建立了基于翼型点重构的方法来描述后缘小翼的偏转运动;为克服变形网格方法可能导致网格畸变的不足,发展了一套适用于带有后缘小翼控制的旋翼翼型运动嵌套网格方法。基于非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程、双时间法、Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型和Roe-Monotone Upwind-centered Scheme for Conservation Laws(Roe-MUSCL)插值格式,发展了旋翼翼型非定常气动特性分析的高精度数值方法,并采用Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel(LU-SGS)隐式时间推进方法及并行技术提高计算效率。以有试验结果验证的HH-02翼型和SC1095翼型为算例,精确捕捉了动态失速状态下的气动力迟滞效应,验证了本文方法的有效性。着重针对SC1095旋翼翼型的动态失速状态开展后缘小翼的控制分析,提出了可以体现翼型升力、阻力及力矩综合特性的关系式Po和Pc,揭示了后缘小翼振荡频率、相位差和偏转幅值对动态失速特性影响的规律。研究结果表明:当后缘小翼偏转的相对运动频率为1.0,且小翼运动规律与翼型振荡规律之间的相位差为0°时,后缘小翼能够更好地抑制翼型动态失速现象;在此状态下,当偏转幅值为10°时,SC1095翼型最大阻力系数和最大力矩系数可以分别降低19%和27%。     

加装格尼襟翼的旋翼机配平及稳定性研究

以某型自转旋翼机为对象,研究了格尼襟翼对自转旋翼机飞行动力学特性的影响。通过数值计算得到自转旋翼二维翼型加装格尼襟翼的气动力系数,采用叶素理论并结合动态入流理论建立自转旋翼动力学模型,在此基础上建立了旋翼机加装格尼襟翼的飞行动力学模型。研究表明,格尼襟翼对自转旋翼机的纵向配平特性有较大影响,纵向周期变距操纵量增大,旋翼稳定转速减小;格尼襟翼基本不影响全机稳定性,同时还能够达到减小功率消耗的效果。     

基于虚拟载荷校准试验的襟翼曲柄测载方法

飞行载荷测量是验证飞机结构完整性，完成飞机定型必需的试验项目。基于应变法的飞行载荷测量方法通过地面校准试验构建应变与加载载荷之间的对应关系，然后将飞行实测应变代入载荷模型求得飞行载荷。某型飞机襟翼驱动曲柄几何外形不规则，具有轴向弯折、截面非对称等特点，载荷测量存在困难。基于该襟翼驱动曲柄的运动机理及襟翼操纵机构的传力路径研究，对曲柄进行受力分析，提出曲柄载荷测量方法，并利用虚拟载荷校准试验的手段对本方法进行验证。结果表明，本文方法是正确、有效的。     

基于自适应滤波的电控旋翼桨距控制试验

提出了基于自适应滤波的电控旋翼桨距控制方法,并基于此开发了双闭环电控旋翼桨距控制系统,利用模型电控旋翼试验台进行了悬停状态下的桨距控制试验.试验结果表明:所研制的双闭环电控旋翼桨距控制系统能够有效、可靠地实现襟翼操纵和桨距控制.基于自适应滤波的桨距控制律可以很好地实现电控旋翼的总距、周期变距以及总距耦合周期变距操纵;桨距响应幅值满足要求,相位滞后约在10°～15°之间;从襟翼偏转到桨叶变距响应的滞后约20°～30°.不同桨叶/襟翼自身的结构及气动特性差异,会一定程度的影响桨距控制的实际效果.