直升机在风切变气流场中的响应特性

为了研究直升机在风切变气流场中的响应特性,基于相关文献,建立了风切变工程化模型。根据旋翼的非均匀入流模型,建立了直升机非线性动力学模型,并利用四阶龙格—库塔法,对某型直升机在风切变场中的飞行特性进行了数值仿真。研究结果表明:样机进入风切变场后,飞行姿态立即出现俯仰震荡、左右摇摆的现象,10 s内,侧倾角的峰值差最大达到了73.14°,直升机下坠的高度为53.19 m,偏航距离为93.79 m。     

低空风切变系统建模及其对直升机飞行安全威胁定性分析

系统地建立了含湍流的三维低空风切变模型，并综合分析了其对直升机飞行安全的威胁。建立了微下击暴流风场及大气湍流场组合的风切变模型，在不增加计算量的前提下，选取特征点发展直升机飞行动力学模型，有效捕捉了风切变的切变特性，提高了在风场中的动态响应计算精度。模型配备姿态保持功能的控制增稳系统已符合一般直升机的飞行状态，并改善机体响应。根据风速分布的特点，选取不同飞行速度、不同风场位置进行飞行仿真，定性地对比分析状态量变化与风场对应关系，并且以垂向通道为例，从动力学角度分析验证了响应的理论计算表达式。结果表明：湍流主要导致高频姿态角响应，风切变对飞行状态量变化占主导作用，且垂向风是引起威胁的主要因素，据此提出危险风场规避建议。     

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。     

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。     

低空风切变中直升机纵向运动特性分析

低空风切变是危及飞行安全的一种危险天气，由此而引起的严重事故时有发生，将风切变引入直升机的基本运动方程，定性地讨论了水平风切变对直升机进场着陆／着舰的影响，着重分析了直升机在低空风切变中的飞行航迹，操稳特性变化特点等，对飞行员处理风切变有一定的参考价值。     

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.      

直升机姿态指令/姿态保持响应类型试飞验证技术研究

对直升机ACAH响应类型和RATE响应类型进行了分析比较,对ADS-33E中的直升机ACAH响应类型验证要求进行了分析研究,说明了ACAH响应类型在不良目视环境下使用的较强稳定性,给出了ACAH响应类型的试飞方法及某型直升机ACAH响应类型验证的试飞评定结果和分析。试验结果表明,该方法适用于直升机ACAH响应类型的验证。     

低空风切变对飞行的危险性评估

本文利用风切变场中飞机的近似的能量高度传递函数和激发飞机长周期振荡的最严重的风切变模型,研究并确定了适用于机载风切变系统的风切变危险通报(caution)的阀值.为机载风切变探测告警系统的研制提供了风切变的危险性评估准则.     

用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制

发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-State Feedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。     

直升机着舰降落操纵与动态响应研究

直升机在舰船上降落是一个非常复杂的过程,因此有必要对着舰降落阶段直升机的动态响应进行研究。首先,建立了直升机/舰船动态适配仿真模型。然后,通过UH-60A直升机的配平和操纵响应计算结果与飞行测量数据的对比,验证了仿真模型的准确性。最后,对直升机舰面降落操纵与动态响应进行了仿真计算与分析。研究结果表明:舰载环境对直升机着舰降落过程中的机体姿态变化有显著的影响;合理的操纵速率能控制直升机触舰时刻的机体姿态和角速率,减缓对甲板的冲击,保证直升机降落在限定着舰区域。     

Dynamic response analysis under atmospheric disturbances for helicopters based on elastic blades

A flight dynamics model based on elastic blades for helicopters is developed. Modal shape analysis is used to describe the rotating elastic blades for the purpose of reducing the elastic degrees of freedom for blades. The analytical result is employed to predict the rotor forces and moments. The equilibrium equation of the flight dynamics model is then constructed for the elastic motion for blades and the rigid motion for other parts. The nonlinear equation is further simplified, and the gradient descent algorithm is adopted to implement the trim simulation. The trim analysis shows that the effect of blade elasticity on the accuracy of rotor forces and moments is apparent at high speed, and the proposed method presents good accuracy for trim performance. The time-domain response is realized by a combination of the Newmark method and the adaptive Runge-Kutta method. The helicopter control responses of collective pitch show that the response accuracy of the model at a yaw-and-pitch attitude is improved. Finally, the influence of blade elasticity on the helicopter dynamic response in low-altitude wind shear is investigated. An increase in blade elastic-ity reduces the oscillation amplitude of the yaw angle and the vertical speed by more than 70%. Compared with a rigid blade, an elastic blade reduces the vibration frequency of the angular veloc-ity and results in a fast return of the helicopter to its stable flight.     

侧风对舰载直升机悬停性能的影响

针对舰载直升机小速度、大侧滑的飞行状态,采用了旋翼非均匀入流模型,导出了直升机在风场中的运动方程。以某型机为例,对不同风速条件下直升机悬停时的平衡特性进行了计算分析。计算结果表明:左侧风对该机悬停性能影响最大,而尾桨操纵裕度要求左侧风速不能超过30m/s,与同类直升机的飞行数据吻合。分析模型为制订舰载直升机的风险图提供了理论依据。     

某型登陆舰的舰面流场仿真与分析

舰载直升机是登陆舰实现"垂直登陆"的主要武器,研究舰面流场特性对直升机安全性能与操纵性都有重要意义。建立了某型登陆舰的三维模型,以风向角为30°,风速为15m/s的流场为例,通过数值仿真得到了飞行甲板上方的气流分布,经分析机库陡壁效应引起的下冲气流分量在机库后方形成了涡流区,在直升机的起降过程中应避免通过该涡流区,以保障直升机的安全起降、平稳飞行。     

基于LADRC的无人直升机轨迹跟踪

无人直升机轨迹控制系统是对多输入/多输出强耦合非线性系统进行解耦控制的系统。为解决无人直升机轨迹控制效果依赖于直升机物理参数的测量和辨识精度以及外部扰动大小问题,提出了一种基于线性自抗扰控制(LADRC)的多回路无人直升机轨迹控制系统。首先建立无人直升机X-Cell的飞行动力学模型,并引入风切变、大气紊流和突风模型以更加准确模拟真实飞行环境;然后对X-Cell进行配平计算以验证动力学模型和配平算法的准确性,并选取一组配平值作为轨迹控制仿真的初始状态和操纵量;随后根据被控量的动力学方程阶次选取对应的一阶和二阶LADRC基本控制器,并结合时间尺度原理,自内向外依次构建无人直升机的姿态、速度和位置控制回路,将三回路串联从而建立了无人直升机轨迹控制系统;而后进行了稳定性分析,特征根计算结果表明轨迹控制系统镇定了X-Cell开环系统不稳定的动态特性;最后将该控制系统应用于各种扰动下直升机轨迹跟踪仿真,结果表明本文无人直升机轨迹控制系统能很好地实现带爬升率的"8"字形轨迹跟踪,且相比于基于比例积分和微分(PID)控制的轨迹控制系统,该控制系统具有更优的鲁棒性和抗扰性。     

基于动态入流的无人直升机操纵特性研究

无人直升机操纵响应特性研究的关键是有准确的旋翼诱导速度模型。本文介绍了确定旋翼非定常入流分布特性的最新方法—旋翼动态入流模型。并以欧拉方程为基础,结合动态入流模型,计算了某型无人直升机的操纵响应特性。     

旋翼转速优化直升机的纵向操纵性与稳定性分析

针对不同旋翼转速、桨叶弹簧刚度、平尾面积对旋翼转速优化(OSR)直升机操纵性、稳定性的影响,建立了飞行动力学模型,该模型以自由尾迹计算旋翼入流,考虑了旋翼尾迹对其他气动部件的干扰,最后利用差分法计算直升机的气动导数及操纵导数矩阵.结果表明:旋翼转速的减小,降低了直升机的操纵性,增加了旋翼的迎角稳定性,但增加桨叶根部弹簧刚度则会提高直升机操纵性,同时也会使得稳定性下降;而旋翼转速优化直升机的无平尾设计虽然降低了直升机的纵向稳定性,使得样例直升机处于飞行品质规范ADS-33E中的第3级水平,由此带来的不稳定模态的振荡发散周期较长,并且取消平尾后提高了直升机的操纵性,通过飞行控制系统完全可以抑制,因此无平尾设计方案对旋翼转速优化直升机而言仍然是可接受的.      

Sliding mode tracking control for miniature unmanned helicopters

A sliding mode control design for a miniature unmanned helicopter is presented. The control objective is to let the helicopter track some predefined velocity and yaw trajectories. A new sliding mode control design method is developed based on a linearized dynamic model. In order to facilitate the control design, the helicopter’s dynamic model is divided into two subsystems,such as the longitudinal-lateral and the heading-heave subsystem. The proposed controller employs sliding mode control technique to compensate for the immeasurable flapping angles’ dynamic effects and external disturbances. The global asymptotic stability(GAS) of the closed-loop system is proved by the Lyapunov based stability analysis. Numerical simulations demonstrate that the proposed controller can achieve superior tracking performance compared with the proportionalintegral-derivative(PID) and linear-quadratic regulator(LQR) cascaded controller in the presence of wind gust disturbances.     

Robust LPV modeling and control of aircraft flying through wind disturbance

This article deals with the disturbance attenuation control of aircraft flying through wind shear via Linear Parameter Varying(LPV) modeling and control method. A Flight Dynamics Model(FDM) with wind shear effects considered was established in wind coordinate system. An LPV FDM was built up based on function substitution whose decomposing function was optimized by Genetic Algorithm(GA). The wind disturbance was explicitly included in the system matrix of LPV FDM. Taking wind disturbance as external uncertainties, robust LPV control method with the LPV FDM was put forward. Based on ride quality and flight safety requirements in wind disturbance, longitudinal and lateral output feedback robust LPV controllers were designed respectively,in which the scheduling flight states in LPV model were actually dependent parameters in LPV control. The results indicate that LPV FDM can reflect the instantaneous dynamics of nonlinear system especially at the boundary of aerodynamic envelope. Furthermore, the LPV FDM also can approach nonlinear FDM's response in wind disturbance special flight. Compared with a parameter-invariant LQR controller designed with a small-disturbance FDM, the LPV controllers show preferable robustness and stability for disturbance attenuation.