空气动力学——打开天门的钥匙

所有通过大气层的飞行器,都要利用风洞实验和理论计算来确定它们的空气动力外形和空气动力特性.实验工作者努力发展从亚跨声速到高超声速范围的风洞实验设备,并利用新的观测、显示、信息处理手段,揭示空气的流动现象,为飞行器设计师提供更多、更精确的气动力数据.理论工作者根据空气动力学的原理和各种理论,努力把实验揭示出的空气流动形态概括成数学模型,依靠数学分析的方法,研究空气流动现象中各种物理量之间的关系和变化,及其对飞行器性能的影响,把握规律,趋利避害,创造出飞行器新的设计思想、设计概念和设计方法.计算工作者则在已建立的数学模型指引下,利用当代最先进的电子计算机,致力于发展新的算法和软件,模拟更复杂的飞行器外形.     

非光滑多体系统最大Lyapunov指数的计算方法

结合非光滑力学与非线性动力学的理论给出非光滑多体系统最大Lyapunov指数的数值计算方法.应用第一类Lagrange方法建立具有单边约束非光滑多体系统变拓扑结构动力学方程;应用线性互补理论与方法检测非光滑事件;应用混沌同步方法计算Lyapunov指数.在提高计算速度方面,提出了采用二分搜索法加快搜索速度以及采用调制参数方法加快系统达到同步状态的速度.通过算例说明本文算法的可行性与有效性.      

我们脑中的时钟

有过调整时差来观看世界杯足球赛经历的球迷们都有这样的体会：如果是一场比分悬殊、大局已定的比赛，最后的时刻在不知不觉中很快就过去了；但是如果是一场旗鼓相当、比分相同或只差一个球的比赛，最后的一二分钟就会变得非常漫长。我们并不需要借助钟表才能感觉到时间的流逝，我们体内似乎有一个时钟在替我们计时，只不过这台时钟并不很稳定，它的速度很容易受到情绪和其他因素的影响。     

基于NACA0030的波纹状翼型气动特性探索

相对于光滑翼型,波纹状翼型的气动特性呈现出一些独特现象。为了深入探索这种布局的气动特点,在前期风洞试验的基础上,以NACA0030翼型为基础,设计了一组具有不同外形特征的波纹状翼型,开展了非定常数值模拟工作,详细研究了低雷诺数（Re=12×104）流动情况下波纹状外形对流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。计算结果表明:相对于光滑翼型,波纹状翼型流动的分离流现象更明显,升力和升力线斜率有明显下降,但推迟了失速现象。波纹状翼型表面越光顺,气动特性越接近于光滑翼型。虽然波纹状翼型的压差阻力大于光滑翼型,但是波纹状外形产生的回流可以减小摩擦阻力。      

含滚阻摩擦平面多体系统的建模和数值方法

针对含滚阻和摩擦的平面多体系统,给出了通用的力学模型,利用第一类Lagrange方程建立了系统的动力学方程,为便于约束力的计算,利用局部方法列写约束方程,并以矩阵形式给出了该系统滚阻力偶和摩擦力的广义力.该系统动力学方程是非光滑的,通过建立滚阻定律的互补条件以及光滑铰链约束力的互补条件,给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值算法,将非光滑约束力、铰链约束力的求解以及滚轮滑动与粘滞的判断问题统一转化为一个线性互补问题进行求解.对两个算例进行了数值仿真,算例数值结果表明了该方法的可行性和有效性.     

基于增益调度与光滑切换的倾转旋翼机最优控制

针对倾转旋翼机转换机动中变动力学特性导致的复杂控制问题,提出基于增益调度（GS）的线性二次最优控制与光滑切换控制结合的综合体系结构,用以实现转换机动过程中的全局最优控制。该控制综合方法,在保证性能指标要求最小的同时,对操纵机构的负荷较低。首先,建立了倾转旋翼机高置信度飞行动力学模型,并应用混合操纵克服操纵冗余问题。其次,设计了基于增益调度的线性二次最优多环控制器,并采用光滑切换控制策略综合2套控制器,实现动态倾转过程的姿态平滑过渡。最后,进行以倾转走廊中间路径为期望轨迹的全模式自主飞行仿真。仿真结果表明:控制系统在转换机动过程中体现出强鲁棒性和较优的系统性能。      

足球机器人野心无止境

这是一场特殊的极为具有悬念的世界杯足球比赛,体育场内十几万如醉如痴的球迷欢声雷动。人类队出场阵容基本上无大的变化,仍采用了惯用的433,机器人队随型而动,战略战术高深莫测。上半场进行第36分钟机器人5号连续突破对方几名队员的防守,在禁区前沿被对方后卫手忙脚乱地“放倒”。队友发出任意球,5号抢点射门被守门员奋力扑出,12号抢前左路得球,从容地     

含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

当飞机在地面上滑行时,其运动会受到风载荷和不对称刹车力矩的影响.为分析飞机的动力学行为,给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法.将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统,主起落架的轮子为纯滚动,飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移.飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出,用约束稳定化方法抑制约束的漂移.轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述,以用于判断前轮是否发生侧向滑移.最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为.      

空气动力学——打开天门的钥匙

空气动力学是流体力学的一个分支,属于力学范围,是研究航空航天器飞行时与空气相对运动产生的力、热和其他物理现象的科学.     

流体力学研究所简介

北航流体力学研究所的前身是空气动力学教研室（103教研室），成立于1952年，首任主任是陆士嘉教授。为了适应我国建国初期航空航天技术发展对人才的需求，1963年将原教研室扩大并组成空气动力学研究室（第一研究室）和103教研室，分别由陆士嘉教授和张桂联教授担任主任。     

等离子体彗尾动力学的数值研究

本文基于可压缩磁流体动力学模型,数值研究了尾瓣巾具有超Alfven速流动的等离子体彗尾的动力学特征。结果表明,等离子体片和尾瓣之间的剪切等离子体流动将会激发流动撕裂模不稳定性,引起彗尾等离子体片中发生磁场重联,形成磁岛和高密度的等离子体团。进而模拟了太阳风引起的局部驱动力对等离子体彗尾中磁场重联的影响,其特征时间远大于流动撕裂模。我们认为一些观测到的等离子体彗尾中的四块和彗尾截断事件可能主要与彗尾中剪切等离子体流动所引起的流动撕裂模不稳定性有关。      

歼击机座舱空气流动和传热模拟实验

对某型歼击机座舱的空气流动和传热进行了全尺寸地面模拟实验.模拟了气动热载荷和人体热载荷,并使用ATM2400型36通道多点气流和温度测量系统测量了5个测试面的速度场以及其中两个测试面和邻近服装表面的温度场.观察了供气流量和集中喷嘴开关对舱内空气流动状态和温度分布的影响,评价了该座舱的舒适性.结果表明:舱内速度场 并非相对座舱纵向中心面对称分布,而座舱内壁面温度分布亦极不均匀;集中喷嘴全开和全关时,舱内气流速度场和温度场及邻近服装表面空气温度的分布情况差别显著,但对舱内气流平均速度和平均温度的影响不大;舱内气流平均速度随供气量呈线性变化.实验结果可为数值模拟提供验证依据.     

沟槽面湍流边界层湍流度分布

应用激光测速(LDV)技术对沟槽面湍流边界层湍流度分布进行了精细的测量,实验结果表明,在湍流边界层区域沟槽面湍流度最大值比光滑面要小,但出现的位置比光滑面要远.此外,紧靠沟槽面,即y++<4内,沟槽面有较大的湍流度,说明沟槽面有使近壁区流动紊动增加的趋势.对于y/δ≥0.06的区域,湍流度可用u′\u=2.3 exp (-0.9y/δ)描述,而在y/δ<0.06内,则有u′/u =36.4y/δ.     

跟随钱老建设中国气动中心

<正>钱老回国后北航成立了空气动力学专业1955年10月9日,钱学森先生回到了祖国,揭开了共和国导弹和航天发展的历程,也影响了我的一生。1956年,我在北京航空学院飞机设计专业上三年级。     

机器人的自适应混合控制

考虑了当机器人动力学模型中含有未知参数时,机器人适从运动的混合控制器设计问题。对于一个机械臂手端与刚性环境发生光滑接触的约束运动类型,设计出了一个自适应控制器。     

应用修正湍流模型对旋转通道内换热的模拟

针对旋转光滑矩形通道分别应用针对旋转状态修正的 k-ε、标准k-ω以及提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型进行流动和换热的数值模拟,通过与实验结论的对比,讨论了采用不同湍流模型对计算结果的影响.计算工况为旋转数Ro=0.24,流体进口雷诺数Re=25000.计算结果表明:采用所提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型的计算结果要比采用针对旋转状态修正的k-ε以及标准k-ω湍流模型的计算结果更接近实验结论.     

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先,从多体动力学出发,以某盒式倾转旋翼无人机为算例,将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次,通过不同刚体质心间的位移约束,建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵,以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后,分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致,验证了所提建模方法的合理性;在倾转旋翼转速不变的情况下,倾转过程所用时间越长,无人机掉高越少,轨迹越光滑,但输入能量越多,具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。      

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

异想天开火星上的“世界杯”

嗨！2050年的世界杯就要开赛了,这真是件可喜可贺的事情。这届世界杯不仅是四年一度的大赛,同时也是在火星上举办的首届世界杯。由于本届世界杯意义重大,预计将有1.5亿人到现场观看。     

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。