变后掠变展长翼身组合体系统设计与特性分析

为了探索可变形飞行器气动、结构和控制关键技术,在可变后掠角及展长的翼身组合体风洞试验模型系统设计与特性分析方面开展了研究。系统设计包括总体方案设计、近似理论分析与计算流体力学(CFD)数值模拟、结构与控制技术集成;特性分析包括结构特性、控制特性、定常与非定常气动特性的测试及其分析。结果表明:大尺度变形能显著改变飞行器的升力、阻力和升阻比等气动特性,进而使可变形飞行器能适应多种环境和任务,因而在全飞行周期中比传统固定外形飞行器具有更优的性能。     

可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型气动特性分析

以变弯度翼型为研究对象,计算了其六种外形的绕流流场,分析了不同的连续光滑变形翼型与传统偏转翼型的气动特性,讨论了变形参数对气动特性的影响,研究了气动特性的产生机理;与此同时,以形状记忆聚合物柔性蒙皮和机械结构实现了可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型,并在风洞实验中测试了其气动特性。计算和实验结果表明:可连续光滑偏转后缘的变弯度翼型能改进传统主翼-简单襟翼翼型的气动特性和流场分离特性;可变形段范围、转轴位置、后缘偏转角度、后缘高度等变形参数对气动特性具有显著影响。     

旋翼变体技术对直升机性能的提升

为研究旋翼变体技术对直升机性能的提升作用,先建立旋翼模型,然后耦合机体模型,从而建立直升机需用功率计算模型.主要对比了几种不同旋翼变体技术,包括旋翼变直径、旋翼变转速、桨叶变弦长和桨叶变负扭转角在不同飞行状态时对直升机需用功率的影响.前飞速度为130km/h时,10%旋翼转速减小、10%旋翼直径减小、10%桨叶弦长减小和桨叶负扭转角由-12°变为-6°时,需用功率分别降低了15.7%,14.6%,5.8%和3.1%;前飞速度为250km/h时,10%旋翼转速减小和10%旋翼直径减小可分别降低14.5%和23.9%需用功率.结果表明,旋翼变转速明显优于桨叶变弦长和桨叶变负扭转角所取得的性能提升,高速前飞时旋翼变直径降低的需用功率大于旋翼变转速技术.      

全速域可变形飞行器气动布局设计及试验研究

为了解决大空域、宽速域水平起降可重复使用飞行器的气动适应性问题,设计了一种满足高超声速巡航飞行性能的飞行器,为解决该种飞行器地面水平起飞和高速巡航飞行气动性能矛盾的问题,提出了两种变形布局方式——伸缩翼布局和翻转翼布局。通过数值手段比较分析了两种变形布局的低速气动特性,并通过风洞试验对其性能进行了验证。结果表明,在增加相同机翼面积时,伸缩翼在起飞状态增升效率为68%,同时阻力增加35%;翻转翼在起飞状态增升效率为42%,阻力增加15%;伸缩翼布局比翻转翼布局的起飞升力大16%,阻力大20%,伸缩翼布局具有明显的升力优势,说明亚声速状态增加机翼展弦比是增升的有效手段,但同时也带来阻力的增加;鸭翼具有显著的增升效果,起飞状态增升12.8%,同时阻力降低1.4%,纵向压心系数绝对值前移0.48%,有效缓解了起飞状态升力和纵向稳定性的问题。     

一种高速可变形飞行器智能变形决策方法

针对一类高速可变形飞行器(HMFV)的变形决策问题,提出一种基于深度确定性策略算法(DDPG)下考虑综合性能指标最优的智能变形决策方法。首先,以一类后掠角可连续变化的高速飞行器为研究对象,给出变形飞行器动力学模型,分析模型特性及变形量与关键气动参数之间的定性关系。其次,基于关键气动数据特征分析,考虑包含气动性能、控制误差在内的综合性能指标,设计一种基于DDPG算法的智能变形决策方案。再者,针对带有标称控制器的HMFV进行变形决策训练,实时获得滑翔过程中不同飞行状态下的最优构型。最后,仿真结果表明所设计的智能变形决策算法收敛效果好,且具备较好的泛化性能。相比于固定外形,可通过变形使得在不同状态下的升阻比保持最优,且与考虑单一决策指标相比,考虑综合指标最优的变形决策可进一步缩小姿态动态跟踪误差。     

A Distributed Coordinated Control Scheme for Morphing Wings with Sampled Communication

To investigate the control of morphing wings by means of interacting effectors, this article proposes a distributed coordinated control scheme with sampled communication on the basis of a simple morphing wing model, established with arrayed agents. The control scheme can change the shape of airfoil into an expected one and keep it smooth during morphing. As the interconnection of communication network and the agents would make the behavior of the morphing wing system complicated, a diagrammatic stability analysis method is put forward to ensure the system stability. Two simulations are carried out on the morphing wing system by using MATLAB. The results stand witness to the feasibility of the distributed coordinated control scheme and the effectiveness of the diagrammatic stability analysis method.     

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.      

超声电机在变体飞行器创新效应器中的应用

从变体飞行器驱动的关键技术入手,对基于超声电机的变体飞机创新效应器进行了研究,包括基于超声电机的创新效应器的组成、工作原理及优点,为用于变体飞行器的创新效应器工程化研究奠定了基础。     

Optimization of aerodynamic efficiency for twist morphing MAV wing

Twist morphing(TM) is a practical control technique in micro air vehicle(MAV) flight.However, TM wing has a lower aerodynamic efficiency(CL/CD) compared to membrane and rigid wing. This is due to massive drag penalty created on TM wing, which had overwhelmed the successive increase in its lift generation. Therefore, further CL/CDmaxoptimization on TM wing is needed to obtain the optimal condition for the morphing wing configuration. In this paper, two-way fluid–structure interaction(FSI) simulation and wind tunnel testing method are used to solve and study the basic wing aerodynamic performance over(non-optimal) TM, membrane and rigid wings. Then,a multifidelity data metamodel based design optimization(MBDO) process is adopted based on the Ansys-DesignXplorer frameworks. In the adaptive MBDO process, Kriging metamodel is used to construct the final multifidelity CL/CDresponses by utilizing 23 multi-fidelity sample points from the FSI simulation and experimental data. The optimization results show that the optimal TM wing configuration is able to produce better CL/CDmaxmagnitude by at least 2% than the non-optimal TM wings. The flow structure formation reveals that low TV strength on the optimal TM wing induces low CDgeneration which in turn improves its overall CL/CDmaxperformance.     

助推滑翔变体飞行器弹道方案多目标近似优化

针对助推滑翔变体飞行器弹道方案最优变形求解难、多设计指标相互矛盾等问题,开展助推滑翔变体飞行器弹道方案多目标设计优化研究。首先构建了助推滑翔变体飞行器全程弹道方案优化框架,通过内外层分别优化控制参数及弹道方案参数,并建立了以起飞质量最小、射程最大为优化目标的弹道方案多目标优化模型。在弹道建模中,基于牛顿迭代法建立助推段弹道模型,基于伪谱法建立最优变体再入滑翔段弹道模型。此外,提出了基于差分进化的多目标近似约束优化方法(MACO-DE),实现助推滑翔变体飞行器弹道方案优化。对比初始方案,在射程不变情况下,起飞质量至多降低3.81%,在起飞质量不变情况下,射程至多提升6.62%,从而验证了全程弹道模型的合理性与MACO-DE方法的有效性。