电控旋翼直升机飞行动力学建模与配平特性研究

首先基于Peters He广义动态尾迹理论,建立了电控旋翼动态尾迹入流模型,进一步结合电控旋翼襟翼操纵与桨叶变距之间的关系、桨叶挥舞运动方程和带襟翼翼型非定常气动力模型建立了适用于飞行力学分析的电控旋翼气动力模型.在此基础上,结合机身、尾桨、尾面的气动力模型,建立了完整的电控旋翼直升机飞行动力学分析模型.以Z-11直升机为基准改造为电控旋翼直升机作为算例,计算了前飞状态下电控旋翼直升机的诱导速度分布和桨盘迎角分布,对比了电控旋翼与常规旋翼的气动特性差异;在此基础上,进一步分析了电控旋翼直升机的配平特性随前飞速度的变化规律以及与常规直升机的差异.     

基于黏性涡粒子尾迹模型的高速直升机配平特性分析

刚性旋翼高速直升机旋翼间复杂的尾迹干扰作用会影响其配平特性。针对这一问题，本文采用黏性涡粒子方法来精确计算上下旋翼复杂尾迹流场下的诱导速度，桨叶环量则采用涡面元法进行求解，两种方法耦合建立了尾迹模型。基于此尾迹模型进行高速直升机飞行动力学建模，包括结合刚性旋翼挥舞运动模型和变距操纵模型的旋翼尾迹气动力建模、机身以及平/垂尾气动力建模。同时与风洞试验结果对比，先验证了旋翼气动力模型的准确性，在此基础上，以XH-59A直升机为研究对象，计算得到了0～80m/s速度下的配平特性结果，与飞行试验数据对比良好，验证了飞行动力学模型的有效性。最后分析了悬停及低速前飞时旋翼间尾迹流场干扰对全机配平特性的影响。     

高速直升机共轴刚性旋翼悬停气动特性的参数影响研究

共轴刚性旋翼是未来高速直升机的重要发展方向，开展气动特性参数影响研究具有重要的实际指导意义。基于计算流体力学（CFD）技术，本文建立了一个计入配平分析的共轴刚性旋翼气动特性计算方法。在该方法中，采用NavierStokes方程为控制方程，使用二阶迎风的Roe格式进行空间离散，选取隐式LU-SGS格式进行时间推进，湍流模型则为Spalart-Allmaras(S-A)模型，上下旋翼间的流场信息交换采用运动嵌套网格方法实现；通过Newton-Rhapson迭代方法求解旋翼操纵增量，可实现共轴刚性旋翼的有效配平。然后，应用所建立的方法，开展了共轴刚性旋翼悬停状态下的气动性能计算，着重分析了上下旋翼间距尤其是桨叶气动外形参数对共轴刚性旋翼气动特性的影响。结果表明，负扭转可以提高共轴刚性旋翼悬停效率，但与负扭转分布相比，采用正扭转分布，会降低共轴刚性旋翼悬停效率。     

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.      

直升机自适应旋翼驱动系统的研究进展

直升机自适应旋翼由复合材料桨叶、埋入式驱动和传感元件以及控制系统组成,它能够有效地抑制桨叶的振动、改善旋翼的操纵系统和空气动力特性。对自适应旋翼的基本含义和关键技术之一--驱动器进行了评述,并从旋翼驱动材料、驱动系统和力学模型等方面介绍了当前的研究成果。     

升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响

为了分析升力偏置对共轴刚性旋翼前飞气动特性的影响，建立了基于雷诺平均Navier-Stokes方程的计算流体力学方法进行共轴旋翼流场求解，采用嵌套网格方法模拟桨叶运动，采用双时间方法进行时间推进。针对不同升力偏置状态，采用基于"差量法"的共轴旋翼高效配平策略进行操纵量配平。通过对Harrington-1旋翼性能的计算，验证了方法的有效性。对比计算了共轴刚性旋翼在不同前进比和升力偏置量下的气动性能和流场特征，结果表明：双旋翼操纵量在小前进比状态有明显差别，在大前进比状态基本一致；在相同拉力状态，随着升力偏置量的增大，共轴旋翼升阻比先升高后降低，其阻力却不断增大，不同前进比状态的最大升阻比对应的升力偏置量不同；双旋翼相遇时桨叶拉力出现脉冲式波动，由于流场被前行桨叶所主导，因此后行桨叶拉力波动幅值更大，且波动幅值随升力偏置量的增加而增大。     

旋翼桨叶非定常挥舞运动的分析计算方法

从旋翼桨叶的实际气动环境出发导出了桨叶的非定常挥舞运动方程，其中考虑了影响旋翼桨叶非定常挥舞运动的各种因素，包括旋翼入流的时滞效应及前行桨叶的压缩性和后行桨叶的失速特性。给出了计算桨叶非定常挥舞运动的递推公式，并进而描述了旋的整体挥舞运动。最后以某型直升机为例，计算了直升机悬停及前飞中旋加变距操纵后旋翼桨叶挥舞运动响应的过渡过程，结果表明：用本文所述方法能合理地计算旋翼桨叶挥舞运动的非定常过渡过程     

某型机助力器承载特性分析

某旋翼系统装于某型直升机,实测了该直升机在悬停、盘旋、平飞、过载、机动飞行科目下的桨叶变距拉杆的铰链力矩,据此计算了该型机纵向和横向操纵助力器所受载荷;同时根据该机操纵助力器输出力与操纵速度特性曲线,考核验证某旋翼系统的铰链力矩、某型机操纵助力器的承载特性即桨叶和助力器的设计及其匹配是否合理、安全可行。     

倾转四旋翼飞行器操纵策略及配平特性分析

针对倾转四旋翼飞行器机翼与旋翼气动干扰复杂的问题，建立了考虑干扰的倾转四旋翼飞行器飞行动力学模型，提出了倾转四旋翼飞行器在直升机与固定翼模式下的操纵策略，并利用数值仿真方法研究了不同模式下的配平特性。利用小扰动假设提取出直升机小速度前飞状态下的状态矩阵，分析不同前飞速度下的特征根变化趋势，并以典型速度下的配平状态矩阵与操纵矩阵分析了零输入响应与零状态响应特性。仿真结果表明，倾转四旋翼飞行器在小速度前飞状态下俯仰通道较为独立，滚转和偏航通道存在耦合。     

直六纵向飞行操纵系统动刚度计算

一、引言 直升机的旋翼不仅是直升机的操纵面,还是直升机的升力面。因此,直升机的性能品质及安全性等等无不与旋翼桨叶及其操纵系统相互作用的耦合动力特性有关。且不难明白在飞行条件下,它即取决于操纵系统中随频率或时间而变化的刚度特性也即动刚度特     

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.      

悬停状态电控旋翼桨距控制

针对改进型电控旋翼系统,首先建立了其各控制环节的数学模型,采用串级PID(proportion in-tegration differentiation)控制算法设计了悬停状态下电控旋翼桨距控制律,PID参数根据Ziegler-Nichols方法进行整定.通过仿真计算分析,初步验证了该控制算法对于桨距控制的有效性.以上述控制方法为基础,进一步开展了悬停状态下电控旋翼桨距控制的闭环试验研究,成功的实现了电控旋翼桨距幅值和相位的控制,验证了串级PID电控旋翼桨距控制算法的正确性和有效性.      

垂直气流对直升机空中共振的影响研究

采用入流模型描述了非均匀定常垂直气流在旋翼上的分布．用改进的非线性VKS模型计算粘弹减摆器的复模量；分析了直升机从悬停到小速度前飞时，定常垂直气流的非均匀分布对直升机平衡操纵以及对系统摆振后退型模态阻尼的影响。分析结果表明：非均匀垂直气流对平衡时的周期变距操纵有较大影响；对减摆器具有非线性特性的直升机来说．非均匀垂直气流对其摆振后退型模态阻尼有显著影响，而减摆器具有线性特性时．则影响很小。     

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.     

基于PC2B格式自由尾迹方法的旋翼响应特性分析

旋翼自由尾迹模型的建模和桨叶动态响应计算的问题是直升机空气动力学领域中富有关键意义的课题。本文结合桨叶气动模型、旋翼涡尾迹模型、桨叶挥舞动力学模型、"PC2B"尾迹求解算法和旋翼配平模型,建立了一个时间精确的旋翼自由尾迹和桨叶动态气动响应的分析方法,并针对旋翼总距突增时的旋翼载荷和桨叶动态响应进行了计算和分析,得出了一些有意义的结果。     

电控旋翼稳态操纵响应研究

电控旋翼是于21世纪初提出的一种新概念旋翼系统。为探索其操纵规律,首先给出电控旋翼的理论计算模型。以此为基础,对SA349基准电控旋翼的稳态操纵响应进行了计算分析。得出结论:(1)襟翼操纵可有效改变桨叶桨距,时滞约为1/10旋转周期;(2)前飞状态下,襟翼总距操纵会产生周期变距效应;(3)襟翼周期变距操纵响应与传统旋翼类似。在原理性电控旋翼系统上,进行了悬停和前飞状态下襟翼的总距和周期变距操纵试验。通过对操纵响应试验结果的对比分析,证明了理论计算模型的正确性,同时也说明电控旋翼完全可用于旋翼操纵。     

直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响

为摸索直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响规律并揭示其机理,首先建立能够考虑2阶谐波桨距控制影响的旋翼气动力模型,进一步建立相应的直升机飞行动力学模型,将旋翼需用功率作为性能评估的依据,在全机配平状态下开展2阶谐波桨距控制对旋翼性能的影响研究.对于样例直升机,前进比为0.2时,施加任何2阶谐波桨距控制均使旋翼需用功率增加;前进比为0.35时,施加幅值为1.5°、初相位为90°的2阶谐波桨距控制使旋翼需用功率降低约5%.通过分析样例直升机桨盘平面迎角分布和阻力系数分布,总结出利用2阶谐波桨距控制提升旋翼性能的物理本质:当直升机处于高速、大载荷飞行状态时,施加适当的2阶谐波桨距控制可以改善桨盘平面迎角分布,推迟后行边桨叶失速,从而降低旋翼需用功率,有效提升旋翼性能.     

独立桨距控制对直升机飞行性能的影响

为研究旋翼独立桨距控制对直升机飞行性能的影响,在已验证的直升机性能分析模型基础上,以UH-60A直升机为样例,通过输入不同阶次、幅值和相位角的独立桨距,分析直升机的需用功率和升阻比变化,在此基础上给出了旋翼桨盘内迎角和阻力系数的分布,探讨了独立桨距控制提升直升机性能的机理。分析结果表明：高速时,2阶和3阶的独立桨距控制可降低旋翼需用功率、提高直升机的升阻比,但提升效果有限,直升机起飞重量较大时,效果更明显;2阶耦合3阶的独立桨距控制对旋翼性能的提升效果比单独的2阶或3阶桨距输入更好,样例直升机的需用功率最多降低了4.5%,4阶的独立桨距输入则不利于提升旋翼性能;输入独立桨距后,旋翼桨盘迎角分布改善,后行侧迎角减小,有利于推迟失速,桨盘的后行侧的阻力系数减小,可有效降低旋翼的需用功率,提升直升机飞行性能。     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。