柔性扑翼非定常涡格法气动计算的改进与实现

旨在快速、准确地模拟微型扑翼飞行器(Flapping-wing MAV)周边流场,根据柔性扑翼的扑动特点,提出了微型飞行器(MAV)气动力计算的一种改进非定常涡格法(UVLM)模型,该模型中充分考虑机翼的瞬时柔性变形、诱导阻力、尾迹涡环畸变以及黏性耗散等因素对气动力的影响;给出了该模型的一个可视化实现,并通过实例验证了该模型的可行性和有效性。算法仿真表明,采用该模型可使平均升力和平均推力计算精度分别提高20%和70%左右。为了提高运算效率,还研究了剔除尾涡对UVLM性能的影响,计算结果显示,剔除距翼面适当距离处的尾涡后,可在保证算法计算精度基本不下降的前提下使运行时间减少2/3,这表明改进的UVLM可作为MAV的一种快速气动力估算工具,在MAV的优化中存在显见的应用价值。     

后掠翼三维鼓包串激波控制参数的影响

针对跨声速后掠翼,三维鼓包串作为一种有效的减阻方式具有结构简单、高效及鲁棒性好等优点.利用全局优化算法探索了鼓包设计参数空间的整体特性,并对鼓包长度、三维鼓包展向设计参数对鼓包减阻效果的影响进行了研究,发现鼓包顶点位置和高度对阻力系数最敏感,三维鼓包的展向设计参数则对阻力系数不敏感,而鼓包长度和鼓包相对展长越长越有利于减阻.在此基础上开展了小后掠角自然层流机翼加3种不同类型鼓包串的优化研究,通过优化结果发现,增加优化后的三维鼓包串,可将小后掠角自然层流机翼阻力发散马赫数向后推移,并且鼓包平均长度和控制区越大,效果越好.三维鼓包串具有良好的局部控制特性,可用于局部较强激波的抑制.三维鼓包串对常规后掠翼波阻具有良好的控制效果,同时能够抑制激波诱导的机翼后缘气流分离.      

等离子体激励器对微型飞行器横航向气动力矩控制的实验研究

在前期等离子体激励器基本流场特性研究的基础上,将等离子体激励器应用于微型飞行器(MAV)进行气动控制。当来流速度为9.1 m/s时,在微型飞行器机翼吸力面非对称布置不同的单介质阻挡放电(SDBD)等离子体激励器,通过对未施加激励的偏航、滚转力矩曲线和施加激励的偏航、滚转力矩曲线进行对比,发现横航向气动力距发生很大的改变,可以实现对横航向气动力矩的控制。在此基础上,采用图像测速(PIV)技术,对机翼背风面的流场进行研究,分析产生横航向控制力矩的流动机理。通过改变激励器的输入电压、占空比和调制频率,实现对横航向气动力矩的比例控制。     

一个通用的微型飞行器气动工程估算环境的开发

针对微型飞行器 (MicroAirVe hicle,简称MAV)多学科设计优化的需要 ,本文以MAV工程估算的三层模型描述为基础 ,开发了一个通用的MAV气动工程估算程序 ,它可以对多种布局MAV进行气动参数的计算 ,并且MAV几何外形的描述简单 ,计算方便正确 ,最后对某MAV的气动估算结果与风洞实验曲线进行了比较。     

形状记忆合金鼓包的挠度控制研究

激波控制鼓包(Shock Control Bump,SCB)是一种被动式的减小激波阻力的方法。针对近年来提到的可变挠度鼓包,提出具有双程记忆效应的形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)鼓包,可以通过控制SMA鼓包的温度改变其挠度,优化SCB的减阻性能。为了达到精确控制挠度的目标,提出了一种基于Preisach理论的温度–挠度迟滞模型。对鼓包进行基于该模型的PID控制,试验结果表明该模型可用于SMA鼓包的挠度控制中,4个目标点的最大相对误差为5.17%,优于无模型的PID控制。     

跨音速机翼采用鼓包主动减阻技术研究

对二维、三维鼓包进行激波控制减阻,并在大型客机的机翼上进行了对比研究。在研究鼓包减阻的机理时,采用了超临界翼型,鼓包的几何形状及鼓包位置的优化也进行了研究。研究结果表明,鼓包位置、形状及串列式分布对机翼的减阻影响较大。最后把得到的研究结果应用到大型飞机的激波减阻上,结果表明,该方法能较大程度地减小激波阻力,进而提高飞机的升阻比,提高飞机的气动效率。     

基于参数不确定性的MAV模型线化方法研究

微型飞行器(MAV)体积小、重量轻,设计参数与飞行状态参数的微小变化对其飞行性能影响很大,MAV飞行控制器的设计必须考虑这些不确定性因素。本文对此进行了分析,讨论了对具有参数不确定性的MAV系统进行线性化处理的方法与步骤,针对某无尾MAV的一组优化设计开展了相关研究。     

基于弹性体变形方法的多鼓包技术在飞翼无人机耦合进排气上减阻

为进一步提升飞翼布局无人机耦合进排气系统的气动性能,针对进排气附近翼面上多鼓包开展了减阻特性与优化设计研究。基于弹性体变形思想的FFD(Free-Form Deformation,自由变形)方法,对飞翼无人机多鼓包进行有效的参数化,并构建了网格自动生成方法;结合γ-e_(θt)转捩模型进行CFD数值模拟,利用RBF代理模型及多岛遗传算法进行多鼓包优化设计。结果表明:基于FFD方法的多鼓包技术设计变量较少,优化效率高;优化后推荐鼓包构型第一个为凹鼓包,后两个为凸鼓包;多鼓包优化模型具有显著的减阻效果,迎角6°下减阻量可达6.2%,随着迎角增大,减阻效果由摩擦阻力减小为主转为压差阻力减小占据主导。     

导弹气动力/直接力自适应控制分配及优化设计

 建立了具有气动力和直接侧向力混合控制的导弹动力学模型,提出了模糊自适应控制分配与复合控制器优化集成设计方案。设计了基于参考模型的模糊自适应控制分配策略,使气动力/直接力动态分配过程中复合执行机构等效动态特性与参考模型一致。采用进化策略对导弹复合控制系统参数进行了多目标优化设计。仿真结果表明：导弹复合控制系统具有很好的快速大机动跟踪能力,实现了导弹气动力和直接侧向力之间合理的自适应控制分配。     

微型飞行器的设计原则和策略

为了探索微型飞行器(MAV)总体设计方法,在简要介绍微型飞行器的概念与技术难点的基础上,笔者根据多年的MAV研究和试验,提出了对微型飞行器设计原则的思考,阐述了研究性和实用性MAV以及固定翼、扑翼和旋翼等不同类型MAV的设计特点。通过MAV设计的矛盾与协调关系、设计方法和优化问题说明了MAV设计的特殊性。最后,展望了微型飞行器设计的发展方向,为微型飞行器总体设计研究提供了参考思路。     

MAV放宽静稳定性设计的效益/代价分析

介绍了一种固定翼微型飞行器，通过对不同静稳定性设计的升阻特性、力矩特性、配平损失等进行计算分析，确定了在该类微型飞行器上应用放宽静稳定性技术的代价和效益，分析了不同操纵面布局的影响，并给出了微型飞行器在操纵面布局和控制增稳应用方面的一般计算方法和建议。     

基于0.6 m量级三声速风洞的压敏漆试验技术

基于0.6 m暂冲式三声速风洞,建立了压敏漆测压系统,解决了各分系统的同步控制问题。研究了涂料喷涂影响、图像滤波和系统测量稳定性及精准度等技术细节,并将该系统首次应用于未来大型客机减阻与激波控制的机翼表面压力测量中,获得了基本外形和鼓包外形机翼表面的压力分布、激波位置及形态。检验了设计鼓包在设计状态和稍偏离设计状态下的激波控制效果及其对上翼面压力分布和升力特性的影响。研究结果表明：涂料喷涂质量不佳造成的表面粗糙度和厚度变化会显著影响压力分布,喷涂质量需严格控制。窗口直径8像素迭代3次的高斯滤波对压力波动的平滑效果较好且不会失真。建立的压敏漆系统与压力传感器的压力系数测量均方根偏差在0.022以内,压力均方根偏差小于620 Pa,测量精准度较高。设计鼓包在设计状态及稍偏离设计状态下,均能够有效减弱激波强度,保证机翼升力变化很小,从而提高机翼的升阻比。     

飞翼式微型飞行器飞行动力学特性研究

微型飞行器(MAV)非线性飞行力学特性研究是MAV设计中的一个重要环节。由于MAV具有自身尺寸微小,飞行速度低等特点,其空气动力学低雷诺数效应十分明显。飞翼式MAV的非常规气动布局也使得其飞行力学特性与常规飞行器有很大差异。以低雷诺数风洞实验为基础,研究了飞翼式MAV空气动力学特性,提出了1种针对飞翼式飞行器的动阻尼导数计算方法。在飞翼式MAV飞行速度范围内将其运动方程分段线性化以研究其飞行力学特性数值规律。结果表明,飞翼式MAV各项飞行品质指标与常规飞行器存在很大差异,在整个飞行范围内其飞行动力学特性呈非线性变化规律。本文的研究对实现飞翼式MAV自主飞行控制具有重要意义。     

Conceptual design and optimization of a tilt-rotor micro air vehicle

The conceptual design and optimization of a tilt-rotor Micro Air Vehicle(MAV) for a well-defined mission are performed. The objective of this design cycle is to decrease the design time in order to efficiently create a functional tilt-rotor drone. A flight mission is firstly defined for a tiltrotor MAV performing hovering and cruise flight scenarios. Secondly, a complex wing shape is chosen and modeled in order to determine the final shape. The initial shape is scaled in order to acquire an arbitrary wingspan of one meter. For the specific area and wingspan, the aspect ratio of the designed wing shape is found to be equal to 2.32. Thirdly, a constraint analysis of the MAV is performed by using an energy balance analysis for six different flight scenarios. This analysis yields the required power loading and wing loading. Fourthly, the weight of the vehicle is estimated using both statistical and computational methods. After estimating the total weight and the wing loading of the MAV, the surface of the wing is determined, yielding a final wingspan of 0.76 m. Subsequently, considering the total weight of the designed MAV, the needed lift coefficient is determined.Fifthly, using the lift coefficient in conjunction with XLFR5, a batch of airfoils is selected and analyzed to evaluate the aerodynamic coefficients of the wing with each airfoil. This analysis ultimately leads to the optimum airfoil being selected. Finally, design of the fuselage and tail, internal components selection, and servo-mechanisms design are carried out prior to a stability analysis. All these proposed steps are needed to design efficient and functional tilt-rotor MAVs.     

柔性翼微型飞行器气动特性的实验研究

 柔性翼有望提高微型飞行器(MAV)的抗风能力。为进一步了解柔性翼的气动性能,建立MAV数学模型,并为飞行仿真和飞行控制设计做准备,在低雷诺数风洞中对柔性翼微型飞行器进行了风洞试验,同时采用翼型、机翼平面形状和尺寸大小均相同的刚性翼进行了风洞对比试验。对比结果表明：柔性翼相比于对应的刚性翼,失速迎角较大;柔性翼的最大升力系数较大,但是柔性翼的变形在提高升力的同时也增大了阻力,升阻比的情况较为复杂;在较低雷诺数情况下,柔性翼的纵向静稳定性略优于刚性翼;柔性翼的长周期和短周期模态的衰减特性和阻尼特性略优于刚性翼。     

Computational aerodynamic analysis on perimeter reinforced （PR）-compliant wing

Abstract Implementing the morphing technique on a micro air vehicle （MAV） wing is a very chal- lenging task, due to the MAWs wing size limitation and the complex morphing mechanism. As a result, understanding aerodynamic characteristics and flow configurations, subject to wing structure deformation of a morphing wing MAV has remained obstructed. Thus, this paper presents the investigation of structural deformation, aerodynamics performance and flow formation on a pro- posed twist morphing MAV wing design named perimeter reinforced （PR）-compliant wing. The numerical simulation of two-way fluid structure interaction （FSI） investigation consist of a quasi- static aeroelastic structural analysis coupled with 3D incompressible Reynolds-averaged Navier- Stokes and shear-stress-transport （RANS-SST） solver utilized throughout this study. Verification of numerical method on a rigid rectangular wing achieves a good correlation with available exper- imental results. A comparative aeroelastic study between PR-compliant to PR and rigid wing per- formance is organized to elucidate the morphing wing performances. Structural deformation results show that PR-compliant wing is able to alter the wing＇s geometric twist characteristic, which has directly influenced both the overall aerodynamic performance and flow structure behavior. Despite the superior lift performance result, PR-compliant wing also suffers from massive drag penalty, which has consequently affected the wing efficiency in general. Based on vortices investigation, the results reveal the connection between these aerodynamic performances with vortices formation on PR-comoliant wing.     

装载约束下飞翼布局气动与隐身综合设计

基于飞翼布局大鼓包式机身,在装载布置约束下开展了气动与隐身综合设计,提出了一种机身低鼓包和双鼓包模型。结合可靠的CFD和隐身计算方法,初步探索了低鼓包和双鼓包气动与隐身特性及机理。结果表明:双鼓包模型极大地降低了全机纵向基本气动性能,但在大迎角时会推迟外翼段前缘分离,对外翼气动特性有一定改善;低鼓包与双鼓包模型整体上RCS差异较小,但双鼓包模型侧向隐身性能更优异。     

MAV微型飞行器研究进展与总体设计

系统地介绍了微型飞行器的定义、类型、任务和国内外发展现状,提出了现在微型飞行器设计的技术难点,即在气动力计算时,经典的空气动力学不再适用以及缺乏小展弦比机翼在低雷诺数下飞行的试验数据,针对这一难点提出了一套系统的设计方案,分为3个部分,分别是气动力建模、多学科优化和仿真与试验。在气动力建模中采用试验与数值计算相结合的设计方法,在基础试验数据的粗略估算后进行CFD计算达到准确设计的效果。在多学科优化中重点对续航能力进行了优化。最后通过比较仿真的结果和原型机飞行试验的数据对设计进行了验证和反馈。此套设计方法适用于大多数微型飞行器的设计。