基于主动流动控制技术的无舵面飞翼布局飞行器姿态控制

飞翼布局飞行器因其升阻比高、隐身性能好等诸多优势得到越来越广泛的应用,但是操纵舵面偏转会增加飞行器的雷达散射截面积。提出了采用射流环量控制和反向射流两种主动流动控制技术实现飞行器的无舵面飞行姿态控制。利用风洞测力试验对射流环量控制和反向射流的舵效进行了分析,结果表明环量控制技术能产生规律变化且可控的滚转和俯仰力矩、反向射流产生的偏航力矩随控制信号规律变化。飞行试验记录了飞行器姿态随射流激励器控制信号的变化规律,飞行数据表明俯仰环量控制激励器能有效地控制无人机的俯仰运动;无人机的横航向操纵存在耦合,但滚转环量控制激励器和反向射流能控制无人机的滚转和偏航运动。     

螺旋桨推进式柔性翼飞机操稳特性研究与试飞

采用柔性翼面的小型飞行器在通用航空器和特种飞行器领域得到了较广泛的应用.由于此类飞行器往往采用蒙皮为可变形柔性织物的高置上单翼以及推进式螺旋桨,其特殊的升阻特性、总体布局和动力影响使得其飞行动力学具有很大特殊性.结合气动力估算、风洞实验和飞行实验结果,在此类飞机的纵、横航向操纵性与稳定性方面得出了有别于传统飞机的一些结论,并给出了有关物理解释;提供了适合此类飞机的飞行动力学建模方法和一系列有别于传统飞机的设计参数取值范围.     

弹舱对飞翼布局飞机气动特性影响及其控制

以高速风洞气动力测量为研究手段,开展了弹舱开启对飞翼布局飞机气动特性影响及其流动控制试验研究。试验结果表明,对于飞翼布局飞机,弹舱开启主要影响飞机阻力特性,巡航状态下,弹舱开启后使得全机阻力增加60%～110%,Ma=0.8时全机升阻比降低34%。通过在弹舱前缘安装扰流片,对弹舱腔口剪切层施加流动控制,巡航状态下弹舱开启附加阻力最多降低20%,Ma=0.8时全机升阻比提高12.6%。     

Novel roll effector based on zero-mass-flux dual synthetic jets and its flight test

The autonomous and controllable Dual Synthetic Jet Actuator (DSJA) is firstly integrated into the Unmanned Aerial Vehicle (UAV), and flight tests without the deflection of rudders are carried out to verify the viability of DSJA to control the attitudes of UAV during cruising. DSJA is improved into an actuator with two diaphragms and three cavities, which has higher energy levels. Actuators, differentially distributed on both sides of the wings, are installed on the trailing edge close to the wing tips. Flight tests, containing Differential Circulation Control (DCC) using double-side actuators, Positive Circulation Control (PCC) using left-side actuators and Negative Circulation Control (NCC) using right-side actuators, are implemented at cruising speed of 25 m/s. Results show that roll attitude control without rudders could be realized by DSJAs. DCC and NCC can generate the rightward roll and yaw angular velocity, prompting UAV to turn right. The stronger controlling ability can be achieved by DCC, with the maximum roll angular velocity of 15.62 (°)/s. PCC can generate a rightward roll moment, but a leftward yaw moment will be produced at the same time. Leftward yaw induces the leftward rolling moment, which weakens the roll control effect, making UAV keep to yaw to the left with a small slope.     

飞翼布局组合舵面航向控制特性综合研究

寻求高效实用的航向控制措施一直是飞翼布局飞行器设计的难点。提出了一种由外翼上翼面嵌入式阻力舵和其相对应的后缘副翼组成的组合舵航向控制措施,通过CFD方法、风洞试验和模型飞行试验3种研究手段,综合研究了单独部件和组合舵在低速、亚声速时的航向控制特性。结果表明：单独阻力舵的航向控制能力比较强,但与纵横向力矩耦合严重,需与其他舵组合使用;单独副翼的航向控制能力很弱,且与纵横向力矩耦合非常严重,建议不单独作为航向控制措施使用;组合舵的航向控制能力强,选取阻力舵与副翼的舵偏角角度差在0°~5°范围的组合舵方案,可以大幅度削弱与纵横向的力矩耦合程度,实现操纵舵面解耦设计;无论单独部件,还是组合舵,舵偏角为0°~6°范围的力矩变化规律较差,建议通过预置舵偏角等方式避开此角度区域。     

Gust load alleviation wind tunnel tests of a large-aspect-ratio flexible wing with piezoelectric control

An active control technique utilizing piezoelectric actuators to alleviate gust-response loads of a large-aspect-ratio flexible wing is investigated. Piezoelectric materials have been exten-sively used for active vibration control of engineering structures. In this paper, piezoelectric mate-rials further attempt to suppress the vibration of the aeroelastic wing caused by gust. The motion equation of the flexible wing with piezoelectric patches is obtained by Hamilton's principle with the modal approach, and then numerical gust responses are analyzed, based on which a gust load alle-viation (GLA) control system is proposed. The gust load alleviation system employs classic propor tional-integral-derivative (PID) controllers which treat piezoelectric patches as control actuators and acceleration as the feedback signal. By a numerical method, the control mechanism that piezo-electric actuators can be used to alleviate gust-response loads is also analyzed qualitatively. Further-more, through low-speed wind tunnel tests, the effectiveness of the gust load alleviation active control technology is validated. The test results agree well with the numerical results. Test results show that at a certain frequency range, the control scheme can effectively alleviate the z and x wing-tip accelerations and the root bending moment of the wing to a certain extent. The control system gives satisfying gust load alleviation efficacy with the reduction rate being generally over 20%.     

大型飞机迎角保护控制律设计及试飞技术研究

针对大型飞机迎角保护控制律设计及试飞问题,通过杆位移-过载梯度的实时精确调整及取大值逻辑指令切换,设计了迎角保护控制律,实现拉杆到底飞机迎角达到且不超过限制迎角的目的。根据迎角保护控制律的功能及试飞目的,将整个试飞过程分为三个阶段,研究了各个阶段的试飞技术。仿真结果表明,所设计的控制律能够实现迎角保护功能,具有良好的控制效果。     

翼身融合布局低速风洞试验研究

翼身融合布局(BWB)综合性能突出,是未来民用航空领域飞行器发展的必然趋势,研究BWB布局的气动特点及流动机理,对开展BWB布局设计具有重要的支撑作用。采用测力、丝线流动显示的风洞试验方法并辅以CFD方法,开展300座级BWB布局(BWB-1)低速气动特性、流动机理及通气发动机短舱影响研究。结果表明:与Early BWB、N2A布局相比,BWB-1具有更好的低速纵向气动性能,具有横向静稳定、航向静不稳定量值较小,航向增稳与控制难度较小等优点;揭示了布局的流动发展过程及具有和缓失速特性的物理原因;通气发动机短舱对提高最大升力及增加航向静稳定性有利,对横向静稳定性影响较小,但使得阻力和低头力矩增加;CFD纵向计算结果与试验基本一致,验证了CFD方法的有效性。     

飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验

飞翼飞机易发生刚体短周期模态与机翼低阶弯曲模态耦合所致的体自由度颤振。飞行控制系统对飞机的短周期模态特性影响很大,因此考虑飞行控制系统的闭环体自由度颤振特性值得进一步研究。针对自主设计的颤振模型开发了相应的俯仰姿态保持控制律,综合运用风洞试验和仿真计算开展了相关研究,获得了不同刚体自由边界条件下的开环/闭环体自由度颤振特性,研究了闭环增益对体自由度颤振特性的影响规律,简要分析了影响机理。试验和仿真计算结果共同表明：俯仰姿态保持控制律明显地改变了俯仰模态阻尼的原有走势,闭环后的体自由度颤振特性变化明显。以开环颤振速度为基准,采用较小的比例回路增益K_P或较大的微分回路增益K_D,飞行控制律能增加飞行器俯仰阻尼,提高体自由度颤振速度,反之飞行控制律将导致颤振速度降低。就本文控制律而言,当K_P<0.07或K_D>0.2时俯仰姿态保持控制律能起到抑制体自由度颤振的作用。     

超临界自然层流机翼设计及基于TSP技术的边界层转捩风洞试验

为了实现绿色航空节能减排的目标,层流设计技术成为飞行器设计者的研究热点。对于跨声速客机而言,超临界自然层流机翼设计技术将显著减小飞行阻力,提升气动性能,减少燃油消耗和污染物排放。首先,基于高精度边界层转捩预测技术耦合翼型优化设计系统,实现超临界自然层流翼型设计;经过合理的翼型配置,形成超临界自然层流机翼。转捩数值模拟分析结果表明,超临界自然层流机翼的层流流动特性良好。然后,以比例为1：10.4的试验模型在荷兰高速低湍流度风洞进行边界层转捩风洞试验,使用温度敏感材料涂层（TSP）技术拍照获得机翼表面在不同马赫数、雷诺数和迎角工况下的层流-湍流分布。最后,通过超临界自然层流机翼边界层转捩试验结果,探讨了该类型机翼的转捩特性随来流参数的变化规律,总结了超临界自然层流机翼设计的关键因素。此外,该模型也可用来验证边界层转捩预测技术在超临界、高雷诺数工况下的预测精度。     

基于滚动时域的舰载机甲板运动轨迹跟踪最优控制

针对单机滑行、无杆牵引系统以及有杆牵引系统的轨迹跟踪问题进行了研究。首先,将这3种系统的轨迹跟踪问题转化为最优控制问题,并建立了连续非线性舰载机系统的轨迹跟踪模型。然后,基于第3类生成函数,提出了适用范围更广的全状态保辛伪谱算法,并结合滚动时域理论提出了基于滚动时域（RHC）的在线跟踪最优控制方法,证明了所提算法是一种保辛算法。基于所提出的在线跟踪算法,对单机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统在存在初始偏差和持续外界扰动情况下的轨迹跟踪问题分别进行了研究,并与BackwardSweep方法进行对比分析,结果表明本文所提出的跟踪算法可以有效地解决具有控制约束和状态约束的轨迹跟踪问题,并可以更高的跟踪精度和计算效率对标准轨迹进行跟踪,可完全满足实时跟踪的要求。最后,分别从初始偏差和持续外界扰动的角度研究了这3种不同方式的跟踪特性。     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。