直升机吊挂飞行耦合分析

从气动导数和运动模态两个层面分析了直升机吊挂飞行中的耦合。首先,建立了直升机/刚性吊索/刚体吊挂物的全耦合飞行动力学模型。然后,计算了配平特性和频响特性,并与飞行试验数据对比验证了模型。最后,通过算例分析了直升机与吊挂系统的耦合。分析表明:直升机上吊挂点处的运动和作用力是形成相互耦合的关键。相互耦合使得直升机姿态对其角运动产生静稳定作用,直升机自身阻尼对整个系统产生作用,同时还增强了吊索摆角对吊索摆动的静稳定性。气动导数的变化削弱了直升机滚转和荷兰滚模态的稳定性,改善了吊挂系统两个单摆模态的动稳定性。直升机和吊挂系统的横航向耦合强于纵向耦合。     

展望系统辨识方法在大攻角气动问题研究中的应用

在分析了目前进行飞行器大攻角气动特性研究所采用的尾旋风洞试验、常规风洞自由飞试验和遥控模型自由飞试验的优缺点之基础上指出:把系统辨识方法与这些试验方法结合起来,是一种行之有效的研究飞行器大攻角气动问题的技术途径,它可以简化这些试验方法的一些技术环节,提高试验精度。若气动数据来源于尾旋风洞,这种新方法只能研究飞机的发展尾旋和改出尾旋;若气动数据来源于常规风洞,这种新方法也只能研究飞行器的大攻角、偏离、过失速和失速性滚摆/滚转模态;只有通过模型自由飞获取气动数据,这种新方法才有可能研究包括尾旋全过程在内的各种大攻角飞行模态。     

捆绑式运载火箭跨声速气动阻尼特性试验研究

以某带助推的捆绑式运载火箭模型为研究对象,通过试验研究了该带助推的细长体弹性模型在不同马赫数和迎角下的一阶自由-自由弯曲气动阻尼特性和频率变化特性,并采用振型类似、频率降低的模型研究了减缩频率变化对气动阻尼的影响。试验马赫数范围0.70~1.05,试验迎角范围0°~10°。研究表明:迎角对火箭一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼和频率有影响,但规律并不明显;一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼受马赫数影响,并在马赫数0.90附近出现跨声速凹坑现象;一阶模态频率随马赫数增加呈下降趋势,但下降数值较小;减缩频率对气动阻尼有影响,在马赫数0.70~0.90范围内和马赫数1.00之后,气动阻尼随着减缩频率的增加而降低,在马赫数0.92~0.98范围内,气动阻尼随着减缩频率的增加而增加。     

吊挂物为刚体模型的直升机外吊挂飞行平衡与稳定性分析

基于外吊挂刚体假设,建立直升机-刚体吊挂耦合非线性动力学模型,刚体模型的外吊挂引入了额外的自由度和额外约束,使原来的9阶直升机非线性动力学方程增加到19阶,并通过小扰动假设进行线性化。利用延拓方法对直升机-刚体吊挂系统在不同的飞行速度下进行配平,与直升机单体飞行的实验数据以及直升机-质点吊挂系统的计算结果进行对比,分析带刚体外吊挂的直升机与无吊挂和质点吊挂模型平衡状态的差别。采用差分法计算刚体吊挂假设下直升机的运动模态,并分析加入外吊挂后对直升机稳定性的影响。结果表明,刚体外吊挂给系统引入5个新的运动模态,其中吊索摆动的两个运动模态是稳定的,而吊挂姿态运动的3个运动模态不稳定,同时吊挂的引入使得直升机运动的短周期模态和滚转模态变得不稳定,严重影响了直升机的飞行品质。     

高超声速飞行器脉冲风洞测力系统研究

吸气式高超声速飞行器具有各系统高度耦合的特点,现阶段的主要研究手段是在脉冲燃烧风洞中开展一体化飞行器带动力试验。针对脉冲燃烧风洞的特点,发展了一体化飞行器风洞试验快速测力方法。对试验模型和天平组成的测力系统进行了建模,获得了测力系统结构设计准则;采用数值仿真和锤击法获得了测力系统的模态,对试验过程中模型振动信号进行分析研究。结果表明:测力系统的振动频率满足测力要求,且其振动形式与锤击法测定模态一致。在脉冲燃烧风洞中开展的飞行器带动力试验结果表明:测力系统满足脉冲燃烧风洞测力要求,能够获得大尺度高超声速一体化飞行器气动力载荷,且满足精度要求,证明了在脉冲燃烧风洞中开展大尺度高超声速一体化飞行器技术研究的可行性。     

后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响

通过在细长体顶点处设置扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性,在此基础上研究了机翼对细长体头部侧向力特性的影响.通过实验发现,测压截面越靠近机翼顶点,受机翼的影响越大.在50°迎角以下,后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响很小.在60°迎角时,后掠翼对细长体头部的侧向力特性影响较大,此时单独细长体的侧向力特性实验结果已不能直接应用于后掠翼身组合体了.     

钝锥动态转捩风洞试验

钝锥飞行器俯仰振动时,非对称边界层转捩区前后移动相对于俯仰角运动的滞后将产生显著的非定常气动效应,导致飞行器俯仰动稳定性降低,严重时甚至会导致运动失稳。将基于气浮轴承的动态试验技术与转捩红外测量技术相结合,建立了钝锥动态转捩风洞试验技术。该技术采用气浮轴承提供俯仰运动自由且阻尼极低的支撑环境,采用红外热像仪实时测量飞行器表面整体转捩状态。开展了9°钝锥标模动态转捩试验,研究模型绕俯仰轴转动时边界层转捩区前后移动的非定常气动作用与飞行器运动的耦合效应。测量试验观察到了动态转捩试验迎角振荡现象,并发现了转捩区前后移动相对于迎角振荡的滞后现象,获得了转捩滞后时间。     

类F-16飞行器风洞虚拟飞行试验研究

为研究高性能战斗机在大迎角机动飞行时复杂的非定常流动现象和运动-控制耦合现象,研制了三自由度风洞虚拟飞行试验系统,开展了类F-16飞行器模型风洞虚拟飞行试验。在小迎角试验中完成模型短周期运动模态模拟和控制律验证,在大迎角试验中测量到俯仰运动失稳现象,在负迎角试验中测量到横航向耦合失稳现象。研究表明:在横航向耦合失稳时,采用副翼增稳滚转通道难以恢复横航向稳定性,且可能发生运动-控制耦合振荡,而通过升降舵机动改变迎角可有效恢复横航向稳定性。     

高超声速飞行器结构热模态试验国外进展

高超声速飞行器在巡航/再入阶段受到严酷的气动加热效应,极高的温度及温度梯度,改变飞行器结构热物理参数和力学性能,导致结构弯曲、扭转刚度下降,颤振安全边界降低,影响飞行器结构的可靠性。热环境下的结构模态特性,作为反映气动加热对结构影响的重要参数,在指导、验证此类飞行器的设计中具有重要意义。20世纪中期以来,NASA Langley、Dryden等研究中心分别针对金属和复合材料壁板、X-15翼舵、X-34发动机喷管等结构开展热模态试验方法研究与试验验证,近期Dryden研究中心针对X-37方向舵开展热模态试验的探索研究。系统综述了国外开展的热模态试验方法、试验设施和试验结果,总结热模态试验中的工程问题和研究方向,对于国内热模态试验技术的发展、飞行器结构高温性能评估等均具有重要的指导意义。     

细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

航行体出水过程涉及到气液两相交界,流场是非定常且高度非线性的,是一个非常复杂的过程。为了深入研究该问题,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了细长体垂直出水过程的水动力特性。实验在二维水箱中进行,采用高速摄影仪拍摄了不同速度下细长体垂直出水流场。数值模拟采用 VOF 模型,结合动网格和 UDF 技术对相应的实验工况进行了模拟。研究了细长体水下运动过程中空泡的生长和溃灭机理,以及细长体出水时对自由液面的干扰规律。实验研究表明:(1)细长体在完全出水时刻出水速度发生突增;(2)随着细长体速度的增大,空泡产生的部位是从尾部开始,然后再在头部出现;(3)当细长体头部没有局部空泡产生的时候,细长体出水时会造成明显液面隆起现象,当细长体头部产生局部空泡后,细长体出水时,没有明显液面隆起现象,但是会产生“喷溅”现象。数值计算表明:在不产生空泡的情况下,细长体头部接近水面到完全出水的过程中,自由液面都会隆起,尾部出水时液面隆起的程度比头部出水时大。通过比较数值计算结果与实验结果,两者吻合较好。     

基于分支梁模型的飞行器动力学建模与分析

研究了分支结构动力学建模对全弹模态的影响,分别建立了单梁和分支梁有限元模型,通过数值计算与试验结果对比分析发现,考虑分支结构对全弹刚度的影响时,能有效的提高模态预示精度。以分支梁模型为标准,建立了共用结点、MPC多点约束和Spring三种分支梁连接模型,基于Spring连接模型,分析了不同连接刚度对飞行器结构模态的影响。     

高速飞行器飞行模态辨识技术及验证研究

针对高速飞行器飞行模态辨识技术可行性及未来发展问题,本文介绍了高速飞行器飞行模态辨识技术及验证研究情况。其中工作模态辨识搭载的飞行试验平台最高飞行马赫数为6。通过地面试验研究和飞行器结构特点,确定了遥测系统测点最优布置方案,通过遥测系统进行了若干通道的低频振动响应测量。提出了基于时域缩放的飞行模态滑动跟踪方法,对飞行器飞行过程中的低阶模态进行了锁定和跟踪。通过研究,验证了飞行模态辨识方法和测量系统的可行性,为后续进一步研究飞行模态天地差异以及发展飞行模态在线辨识技术奠定了基础。     

吸气式高超声速飞行器冷态测力试验支撑校正

吸气式高超声速飞行器整体外形与推进系统性能高度耦合,在风洞测力试验中,支撑机构不可避免会对其气动特性产生影响。针对该类飞行器冷态气动力试验中存在的支撑干扰问题,以基于乘波前体的机体/发动机一体化飞行器为研究对象开展试验和计算研究,对比了尾支撑、背支撑和背支撑+虚拟尾支撑3种风洞支撑机构对飞行器主要气动力参数的影响,并通过比较不同支撑方式的测量结果对气动力进行了校正。试验在来流马赫数4和6两个工况下进行。结果表明:相对于背支撑,尾支撑对飞行器气动力参数的影响较小,更适合作为吸气式高超声速飞行器冷态测力试验的支撑机构;结合背支撑和背支撑+虚拟尾支撑的方式,可以有效地对尾支撑测量结果进行校正,提供更为精准的气动力试验数据。     

低速大迎角尾撑支架干扰试验研究

飞行器低速大迎角风洞试验是飞行器研制中必须进行的试验研究项目,而进行大迎角试验时飞行器模型大多采用尾部支撑方式支撑,目前国内对低速大迎角风洞试验结果中的支架干扰都没有进行相应的扣除.本项研究成果可作为今后支架干扰研究或扣除的参考,重点介绍了在中国空气动力研究与发展中心φ3.2m风洞中,利用张线支撑系统进行有预弯接头的尾撑支架干扰试验研究,获得了预弯尾撑支架干扰随迎角、侧滑角的变化规律,分析了不同形状尾撑支杆的支架干扰特性;并对尾撑支杆的几何参数进行了研究,获得了尾撑支杆长度对尾撑支架干扰量的影响规律,提出了尾撑支杆设计的建议.     

基于CAE仿真的两轴柔性滚弯过程的应变分析

介绍了两轴柔性滚弯的工作原理和技术优势.为便于对滚弯过程中弹性层的受力进行分析,提出了折算弹性模量的概念,来定义柔性滚弯过程中聚氨酯橡胶随成形改变的弹性模量,并推导了聚氨酯橡胶折算弹性模量的计算公式.利用非线性有限元分析软件MARC建立了两轴柔性滚弯过程的有限元模型,模拟了板料滚弯成形加工过程,得出了在不同刚性滚直径和不同压入深度下板料与弹性层的应变分布.基于CAE的仿真分析,可以对柔性滚弯过程工艺参数的选取提供依据.     

轴向受载的Bernoulli-Euler薄壁梁的弯扭耦合动力响应

建立了一种普遍的解析理论用于研究确定性载荷作用下轴向受载的单对称Bernoulli—Euler薄壁梁的弯扭耦合动力响应。首先通过直接求解轴向受载的单对称均匀Bernoulli-Euler薄壁梁单元弯扭耦合振动的运动偏微分方程，给出了计算其自由振动的精确方法，并导出了轴向受载的Bernoulli—Euler薄壁梁自由振动主模态的正交条件。然后利用简正模态法研究了确定性载荷作用下轴向受载的Bernoulli—Euler薄壁梁的弯扭耦合动力响应，该梁所受到的载荷可以是集中载荷或分布载荷。最后假定确定性载荷是谐波变化的，得到了各种激励下封闭形式的解，并针对具体算例讨论了动力弯曲位移和扭转位移的数值结果。     

FL-8风洞三点支撑系统研制

为提高大展弦比和飞翼类等大载荷飞行器风洞试验的准精度,中航工业气动院在FL-8低速风洞开展了三点支撑系统研究.两种空间形状和截面形状支杆的风洞试验表明:三点支撑增加了试验系统纵横向的刚度,使得试验精度有所提高;支杆形状对横向试验结果影响显著,精细地设计模型附近支杆对提高试验准度很有帮助.     

某无人机大过载水平盘旋的稳定性分析

本文利用线化六自由度运动方程的状态空间式,对某无人机大过载定水平盘旋的稳定性进行分析。首先确定飞行器在各个过载下定常盘旋时的平衡运动参数,然后求动态反应的特征根及特征向量;研究了过载因子n_y从1到4时对该机运动稳定性的影响,用根轨迹图和表示特征向量的阿冈德(Argand)图识别和分析了各运动模态的特性。结果表明,该机运动的稳定性随载荷因子增加而变化,并出现俯仰荷兰滚模态和带滚转分量的长周期模态。     

自由—自由结构模态试验中附加影响的消除方法

在宇航结构模态试验中需要模拟自由-自由边界条件,但在某些情况下,结构的悬挂或支承条件等的附加影响会导致模态参数产生不可忽略的改变。本文研究从试验模态数据中消除这些附加影响的方法,给出了两种获得自由-自由结构模态的修正方法。     

直升机双叶旋翼／旋翼轴系统耦合动稳定性分析和试验

研究了直升机双叶旋翼桨叶摆振与旋翼轴弯曲的耦合振动，分析了系统三个模态固有频率随转速增长的变化趋势。着重研究了耦合各模态中存在着不稳定区的模态，并讨论了桨右质量、旋摆振方向刚度、旋翼轴弯曲刚度对此模态不稳定区的影响。利用实物在组合台架上进行了试验，测量了旋翼，旋翼轴及其支持系统的动应变，找出了旋翼谐波激振力作用下的共振点，从而验证了上述分析结果。本文还通过改变系统参数，检验了系统固有频率的变化情况