也谈飞机的非线性运动稳定性

本文在参考文献[1]的基础上,研究飞机线性加(减)速时纵向角运动的稳定性,获得了角运动渐近稳定的充分条件.     

大展弦比飞机运动稳定性建模及分析

随着飞机设计技术的提高和新型材料的应用,现代飞机气动弹性效应越来越显著,刚体运动和弹性体振动互相解耦的关系不再明显,在分析弹性飞机相关问题时,应该综合地、统一地考虑飞行动力学与气动弹性力学问题。本文在一般体轴系下综合考虑了飞机刚体运动自由度和弹性振动自由度,建立弹性飞机刚弹耦合运动的方程,通过在配平状态下引入小扰动运动假设,以及利用有理函数拟合技术将偶极子格网法计算所得到的频域非定常气动力转化为时域形式,建立了大柔性飞机刚弹耦合小扰动状态空间方程,并对纵向运动稳定性进行分析计算。针对文中构型飞机,运用本文所采用的方法计算所得结果与传统的线性及刚体计算所得结果进行对比分析,非线性计算方法所得颤振速度更小,而且失稳模态亦发生变化,对于飞行力学模态而言,长周期模态稳定性变差,在计算速度范围内出现失稳的现象,由此说明机翼大变形对飞机稳定性所带来的影响。     

一种分析弹性飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法

 本文应用非定常气动力理论计算了刚体运动与弹性运动耦合的飞机运动方程中的非定常气动力及广义气动力导数,给出一种分析飞机总体运动稳定性及颤振特性的统一方法。     

飞机地面转弯运动稳定性分析

介绍了一种飞机地面转弯运动稳定性分析方法，并利用C＋＋builder6．0开发出相应稳定性分析程序。     

飞机大振幅非定常滚转运动的非线性稳定性分析

本文根据某飞机大振幅非定常滚转力矩的风洞试验结果,采用两种方法,计算了飞机绕体轴作自由滚转运动时的滚转角时间历程,分析研究了飞机非线性滚转运动的稳定性,并对非定常空气动力对飞机稳定性的影响作了较深入的研究。本文通过两种滚转运动时间历程结果的比较,表明了给出的从大振幅实验提取常规动导数方法是可行的;而且也表明了通过测量飞机绕体轴滚转时大振幅非定常滚转运动时的滚转力矩值,可以研究飞机的摇滚（Ｗｉｎｇ     

飞机大迎角滚转运动频率域建模与稳定性分析

本文运用频率域建模法,分别建立了飞机大迎角滚转运动的Ｆｏｕｒｉｅｒ变换模型及非线性代数模型,并从数学模型中提取动导数。基于非线性非定常数学模型与局部线化的动导数数学模型,计算了飞机滚转运动的稳定性,并运用李雅普诺夫稳定性分析理论,进行飞机滚转运动稳定性分析。结果表明,大振幅非定常滚转运动实验可以用于飞机绕体轴滚转运动的稳定性分析。从大振幅实验数据提取的动导数,基本反映了飞机的非定常气动力特性。通过     

螺旋桨飞机近地飞行时的纵向稳定性

根据某型飞机气动试验数据,分析了地面效应和螺旋桨滑流增量对飞机静稳定性的影响;根据小扰动线性化方程,计算了不同飞行条件下的飞机模态特性,分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机动稳定性的影响。结果表明：地面效应将使飞机纵向运动频率增加,而阻尼比降低;地效区内滑流增量使短周期震荡频率和阻尼比均增加,也使长周期阻尼比增加,而对长周期模态频率的影响不大;无地效时,滑流将使长短周期两种模态的频率均降低,而阻尼比增加。     

三升力面飞机扰动运动线性化模型

以一种新型运输机Ecolifter为参考模型，由飞机的一般运动方程，在扰动飞行条件下．对空气动力和空气动力矩、推力和推力矩进行线性化，结合稳态飞行运动方程，推导出稳态直线飞行条件下，Ecolifter的纵向和侧向线性化扰动运动方程。该方程是三升力面气动布局飞机飞行性能和动稳定性研究及一体化设计的基础。     

计及诱速和风切变的直升机自转前飞特性

研究直升机自转前飞时在风切变条件下的稳定性和操纵性。风切变采用非线性模型，旋翼模型考虑桨叶的刚性挥舞运动，桨叶根部具有水平铰外伸量和弹性约束，诱速在桨盘处的分布采用固定涡系所表示的诱速非均匀分布模型，以Ｚ９飞机为算例，算出计及风切变与否的自转前飞平衡参数和稳定根及操纵响应，显示了风切变对自转前飞操稳特性的影响。     

飞行轨迹稳定性应用的分析

首先根据飞行轨迹稳定性的数学模型，得出了飞机在闭环条件下扰动过程速度的变化规律及飞行轨迹稳定性的应用条件，并且结合不同类型的飞机进行了对比分析。然后以推力曲线为基础分析了不同类型飞机的临速度范围，并根据飞机级曲线对飞行轨迹稳定性界状态与有利速度的关系进行了分析。     

大型民用飞机尾旋运动的系统辨识研究

为了研究某常规布局大型民用飞机的尾旋特性,首次利用一个满足动力相似的缩比模型在Ф5m尾旋风洞中进行研究试验,利用机载传感器所采集的模型运动参数来研判飞机模型的尾旋特性。目前,对于此类飞机模型尾旋运动中所承受的气动力矩研究还十分缺乏,以飞机模型尾旋试验结果为基础,采用飞机六自由度运动学方程来还原模型在尾旋运动中所承受的气动力矩系数,同时利用常规风洞测力试验结果来检验所还原的气动力矩系数的可靠性。进一步采用多元高次方程对模型尾旋运动进行了系统辨识研究,建立了能辨识飞机在尾旋运动条件下的气动力矩系数的数学模型,成功的辨识了重要的气动力系数的导数(Cmα,Cmδe,Cmq,Cnβ,Cnδr,Cnr,Clβ,Clδr,Clp),与相关参考值比较显示其结果具有较高的可信度。     

大型飞机的极限飞行状态研究

根据国家民用航空局的适航条款与咨询通告要求,飞机研制单位需表明飞机的失速/过失速特性以及改出特性,该项试验属于飞机的极限边界飞行和超包线飞行。原型机实施该项试验存在极大的风险,历史上出现过多起机毁人亡的重大事故。原型机缩比模型自由飞试验可以捕捉到模型静态测力试验条件下所未发现的飞行动态特性,以及检验飞机在危险状态下的改出能力,降低原型机失速试飞的风险。某大型飞机在失速试飞前利用模型自由飞试验技术检验了飞机在极限飞行条件下的动态特性,确认了飞机在失速条件下存在偏离以及发展稳定尾旋等;同时确认了飞机具备失速改出能力,采用“三中立”、“反舵,推杆”和“实施开反尾旋伞”均能迫使飞机改出失速/过失速状态。     

浮式风力机运动形式对尾迹大尺度运动的影响

为研究浮式风力机尾迹在平台运动下的演化特征和机理,本文通过线性稳定性分析和大涡模拟方法,分析了浮式风力机在纵荡、横荡和艏摇三种形式下作简谐运动时的尾迹。利用线性稳定性理论,用周向波数表示了不同运动形式引起的尾迹扰动,预测了尾迹在轴对称和非轴对称两种理想扰动下的敏感频率。稳定性分析表明：当纵荡运动的无量纲频率在0.3≤St≤0.5时最易引发尾迹失稳;横荡和艏摇运动的最敏感频率在0.2≤St≤0.4范围内;在三种运动形式下,低频（St≤0.1）和高频（St≥1.0）扰动均不会明显增长。随后,利用大涡模拟研究了不同形式、不同频率的浮式风力机刚体运动对尾迹产生的影响,检验了线性稳定性理论预报浮式风力机尾迹失稳演化的能力,并比较了不同运动形式、频率下的尾迹动态特征。研究结果表明：在St=0.3条件下,远尾迹在风力机纵荡运动下出现交替的收张运动,而在横荡、艏摇状况下将发生侧向的蜿蜒,将对下游风力机施加较大的交变载荷;在St=0.1和St=1.0的各形式运动影响下,尾迹均未发生明显的大尺度运动,不会对下游风力机的动态载荷产生明显的影响。最后,从风力机尾迹演化的角度讨论了浮式风力机设计中应重点考虑的刚...     

螺旋桨飞机近地飞行时的横航向稳定性

根据算例飞机数据，分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机横航向静稳定性的影响。结果表明，无论是否存在地面效应，螺旋桨滑流都将使飞机的航向静稳定性和横向静稳定性变差；同时，无论是否存在螺旋桨滑流，地面效应都将使飞机的横向静稳定性增强，航向静稳定性变差。此外，计算了不同飞行条件下的飞机横航向模态特性，分析了地面效应和螺旋桨滑流对飞机横航向动稳定性的影响。结果表明：无论是否存在地面效应，螺旋桨滑流都将增强滚转模态及荷兰滚模态的稳定性，并同时降低螺旋模态的稳定性；而无论是否存在螺旋桨滑流，地面效应总体上也都将使飞机的横航向动稳定性增强。     

飞机亚音速非对称运动流场数值计算

本文以飞机亚音速对称运动（仅小攻角）流场数值计算为基础。采用涡格法理论开发飞机亚音速非对称运动（小攻角、小侧滑角、小角速度）流场特性数值计算。本文特点：从毕－萨公式出发推导出发推导的涡格法流场诱速公式比面涡法简便；采用多坐标系，详细推导了各坐标系转换公式；将复杂的干扰流场简化为一阶干扰和二阶干扰效应，并仔细推导了相应的流场诱速计算公式。已在ＩＢＭ－４３４１计算机上建立了流场计算实用性程序，既可单独     

考虑刚体/弹性耦合的飞机动稳定性研究

以大展弦比无人机为例,研究刚体运动对飞机纵向气动伺服弹性(ASE)稳定性以及弹性运动对飞机纵向飞行力学稳定性的影响。针对带有反馈控制的飞机,建立了时域的刚体/弹性耦合运动方程;以刚体运动频率与一阶弹性频率的比值为参数,分别研究有无刚体模态时的ASE系统稳定裕度和有无弹性模态时的飞行力学稳定裕度。数值仿真表明,当飞机刚体运动频率与一阶弹性频率的比值大于0.01时,飞机刚体运动对ASE稳定裕度的影响逐渐显现;当该频率比值大于0.03时,飞机弹性运动对飞行力学稳定裕度的影响开始突现;当该频率比大于1时,刚体弹性耦合效应不可忽略。     

飞行器刚体运动与气动弹性相互作用问题研究

通过联立求解空气动力学基本方程、飞行动力学运动方程和弹性结构振动方程,在时间域内模拟和分析了大展弦比飞机纵向动力学稳定性问题。结合动网格技术,气动力计算采用基于欧拉方程的计算流体力学方法,结构变形和飞行姿态位置变化统一为模态表示方法,通过松耦合将飞行器姿态稳定性和结构变形稳定性施行了模拟。以某大展弦比机翼飞机为算例,研究了其刚体运动和机翼的弹性振动的相互影响。结果表明：对于具有大展弦比机翼的飞机,其机翼的低阶弹性模态易与飞机飞行中本身的刚体模态发生耦合,从而导致飞机机翼的气动弹性发散以及飞机本身刚体运动稳定性的改变。对于这类飞机,在其气动弹性和飞行稳定性的分析和设计中必须充分考虑到两种运动的相互影响。     

分析、综合弹性飞机动态特性的一种建议性途径

本文提出了考虑在非定常气动力作用下;分析、综合弹性飞机小扰动运动特性的一种建议性办法——频率法的推广应用。它直接将谐振运动的非定常气动力数据引入运动方程中,通过作特征方程关系式(指特征方程对应的代数关系)所对应的频率曲线,利用复变函数的知识和特征方程关系式是复变量的解析可微函数条件,并运用作图与曲线拟合相结合的手段从而求得给定状态下弹性飞机运动方程中所需特征根和特征向量,这不仅获得了该状态下弹性飞机的实际运动特性,同时也给出了一些综合、设计的信息。与现行其他方法比较,本文提出的方法,对于研究弹性飞机的动态特性具有分析、计算较为简洁系统,综合设计较为直观方便的特点。     

某型飞机非线性动力学特性的分叉分析

针对某静不稳定飞机的非线性动力学模型，采用分叉与突变理论（BACTM）计算了常规控制面变化的飞机本体平衡曲线，揭示了其固有的在大迎角下的开环运动特性，在此基础上，设计纵向增稳系统，以保证飞机在小迎角下具有良好的操纵特性，然后再用BACTM分析预测其大迎角下的闭环运动特性，结果表明，其具有与静稳定性飞机类似的预测结果。     

飞机的全局稳定性分析和非线性控制

现代军用飞机常设计为在大迎角下飞行。此时飞机是一个高度非线性系统，其稳定特性不能用线性方法求解。而实现控制，特别是在非线性不稳定性的情况下，更是十分困难的。本文介绍了一种综合的分析飞机非线性稳定性和控制的方法。即用分岐理论来决定飞机的全局稳定性。用四阶龙格－库塔积分来计算飞机运动的平衡面和分岐点，并构造运动状态的扰动传播矩阵，而此矩阵的特征值可用来预测稳定性的时变性。此外，还利用扰动传播矩阵来求得为满足规定的飞机反应特性（通常由频率和阻尼表示）所需的操纵，即各操纵面反馈回路的放大系数值。对典型飞机的算例计算结果表明，非线性控制是成功的。