基于重力储能的太阳能飞机飞行轨迹研究

基于重力储能原理,研究了太阳能飞机变高度飞行轨迹及其应用效果。描述了变高度轨迹的具体组成部分及各部分的运动方式,建立了各部分轨迹和时间节点的物理数学模型,提出了适用于变高度轨迹的太阳能飞机总体参数设计方法。得到了给定设计指标下的飞行轨迹和需用功率曲线,并与定高度轨迹对比,研究了相关技术参数对变高度轨迹应用效果的影响。研究结果表明：变高度轨迹可以有效减小储能电池放电时间和机翼面积;对于不同设计高度均存在最优的爬升高度,使得机翼面积最小;设计高度越高,设计日期越偏离夏至日,储能电池能量密度越小,推进系统功重比越大,变高度轨迹的应用效果越明显。     

螺旋桨/机翼相互干扰的非定常数值模拟

针对太阳能无人机分布式螺旋桨滑流问题,采用基于结构/非结构混合网格的CFD方法进行了非定常数值模拟.通过截取翼段消除有限翼展三维效应的影响并简化研究对象,将滑移网格和转捩模型应用于数值模拟;分别研究了螺旋桨位于翼段前方和后方的情况,并与干净螺旋桨和干净翼段进行对比.结果表明:螺旋桨位于翼段前方或后方均使得翼段升力、阻力、低头力矩增加并呈周期性波动,同时螺旋桨位于翼段后方时对翼段的影响较小;而翼段的存在使得螺旋桨的拉力、吸收功率和效率增加并呈周期性波动,流场的非均匀性导致了螺旋桨振动.      

螺旋桨对襟翼增升效果影响的数值模拟

寻找增大起降升力系数、降低起降距离的方法,一直是飞机设计领域的重要研究问题。文中通过数值模拟的方法,研究了螺旋桨滑流对飞机机翼和襟翼气动特性的影响。计算结果表明,螺旋桨的滑流对襟翼的增升有显著的提升效果,并且随着襟翼的偏转角度增大及螺旋桨的转速的提高越大,该效果也会进一步增强。通过该研究,在飞机设计时可以综合考虑上述影响,选取合适的螺旋桨和襟翼进行配合,找到螺旋桨的最佳位置,得到最大的升力系数,降低起降场长。     

两种隐身飞机模型的雷达散射特性测试与分析

对2种隐身飞机的仿真模型进行了雷达散射特性测试与分析.其所采取的隐身措施是:控制散射波峰的方向与数量,增大占位比,表面金属化,三倾斜式进气道及舵面缝隙菱形槽设计.主要结果和结论是:2种隐身飞机在头向附近的雷达散射截面(RCS)不大于5?dB·m²,说明现代战斗机非常重视头向的隐身.减少强散射方向的数目有利于飞机隐身.垂尾倾斜后与机身或机翼仍构成不完整的二面角具有较强散射.采取隐身措施总的效果是使飞机重要的头向和侧向暴露距离减小、总体可探测范围减小、少数方向暴露距离大但范围窄.     

一种高效空间分割算法

针对三角面元目标提出了一种高效率的空间分割算法.该方法以一种空间点与单位立方体位置关系的判断法则为基础,并逐渐延拓到参数直线、三角形的空间分割上,给出了一种新的三角形面元目标快速分割的解决方法.介绍了该方法在参数曲线、NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲面目标的空间均匀分割上的应用,并给出了非均匀分割的处理方法.与计算机图形技术中最常用的BSP(Binary Space Partitioning)技术的比较中发现,对于特定情形,该算法的执行效率优于BSP法.通过实例证明了该算法的有效性和可靠性.     

某无人机气动估算与风洞试验

基于气动估算和风洞试验相结合的方法,研究某型无人机的气动特性.通过不同V形尾翼纵向力矩对比试验,发现尾翼上反角对纵向力矩特性影响较大,并分析了纵向力矩曲线上翘的原因.进行飞机部件及全机气动性能对比试验,给出V形尾翼无人机气动估算方法,找出计算与试验结果产生差别的原因,通过调整尾翼安装角,优化了无人机的气动特性.同时风洞试验也证明所采用的气动估算方法是可信的,可用于此类布局无人机的气动计算.     

高空太阳能无人机三维航迹优化

为提升高空太阳能无人机的飞行性能和载荷能力,综合考虑无人机运动状态和能量获取、存储、消耗之间的耦合关系,建立了三维航迹优化模型。采用高斯伪谱法在离散点上近似状态变量和控制变量,且在一系列配点上满足动力学方程的约束,将最优控制问题转化为非线性规划问题。针对典型的点到点飞行任务开展了航迹优化,并与常规定高定速航迹进行了对比。结果表明:通过调整飞行姿态,可以使高空太阳能无人机的净吸收能量提高9.2%;综合调整飞行姿态和改变飞行高度两种措施可以获得更大的能量优势,使储能电池剩余电量提高18.8%。      

垂直起降固定翼无人机串联混电系统优化设计

针对垂直起降固定翼无人机的动力需求特点，提出了一种专用于该类无人机的串联混电系统(S-HES)优化设计方法。首先，建立了旋翼、固定翼及转换模式下的垂直起降固定翼无人机的功率需求模型和基于串联混电系统功率传递路径的混电功率解算方程，给出了计及功率约束、能量约束及电池充电的电池质量解算方法，并在大量统计数据的基础上建立了其他混电部件质量解算方程。其次，使用威兰氏线法建立了考虑发动机工作点变化的燃油消耗模型。使用柯西变异粒子群算法基于各物理数学模型在飞行剖面内的各个飞行阶段展开混电控制参数优化，从而完成垂直起降固定翼无人机的顶层设计要求向串联混电系统最佳供电策略、设计功率及质量分配方案的转化。在城市货运和山区货运2种应用场景下对所提方法进行了验证。最后，分析了优化设计结果对于不同飞行阶段性能要求的敏感性。研究结果表明:所提方法可较好地捕捉垂直起降固定翼无人机任务剖面的调整及各飞行阶段的性能要求变化对串联混电系统优化设计结果的显著影响，对垂直起降固定翼无人机的各类应用场景均具有较好的适应性。      

利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究

针对冬季太阳辐射强度较弱的问题,提出并研究了一种新型太阳能飞机构型。概述了太阳能飞机的总体构型,建立了太阳辐射和能源动力系统模型,对飞机的气动、能量、质量及机翼最优偏转角等特性进行了分析,给出了适用于该构型太阳能飞机的总体参数设计方法,并对构型设计参数进行了研究。结果表明:机翼偏转角的存在可有效提高太阳能飞机所接收的太阳辐射能量。综合考虑太阳辐射能量和推进系统质量,机翼最优偏转角在7.4°~9.5°之间,其随时刻变化;端板最优展弦比为5左右,端板与机翼的最优面积比为0.09,端板最大许用升力系数的最优值为1.1。新构型太阳能飞机总面积比常规构型减小44.2%,其优势明显。