基于金星探测机械展开式进入飞行器技术述评

传统的金星进入飞行器存在弹道系数高、热流密度高、过载大等缺点,对热防护系统和设备的要求比较严苛。针对金星探测的任务需求,美国提出了一种基于机械展开式结构的金星进入飞行器,该飞行器发射时处于折叠状态,进入时展开形成较大的气动面,可以显著地降低弹道系数、热流密度、过载等。文章介绍了该飞行器的结构组成和展开过程,对机械展开式进入飞行器的研究现状进行了介绍,重点对比了机械展开式进入飞行器与传统形式的不同,通过对构型、工作流程、效果的对比,可以看出机械展开式进入飞行器在金星探测上具有很大的优越性,最后对其优势进行了总结,并提出了未来需要研究的问题。

高超声速飞行器激波控制减阻技术

针对高超声速飞行器巨大的激波阻力,采用数值方法研究了由钝头体、气动杆和侧向喷流构成的组合模型的减阻性能。侧向喷流将弓形激波推离气动杆,组合模型的再附激波明显弱于传统气动杆模型,其阻力系数比气动杆模型低了33.52%,从而验证了本文组合模型优异的减阻效率。进行了组合模型的影响因素分析,随侧向喷流总压比和气动杆的长度的增加,再附激波强度减弱,减阻效率升高,但减阻效率的变化速率逐渐减小。随喷口位置向下游移动,再附激波逐渐增强,减阻效率降低,且减阻效率的变化速率逐渐增加。此外本文还研究了以上参数对流场结构及钝头体压力峰值位置的影响。

微型飞行器自主飞行专家模糊控制技术

微型飞行器(Micro air vehicles,MAV)的自主飞行控制是目前国内外微型飞行器研究领域正在积极开展的一项研究。由于MAV自身尺寸微小,飞行环境复杂多变,其飞行力学具有明显的非线性、非定常特性,传统的飞行控制技术已非常不适用。本文将模糊控制技术引入到MAV飞行控制之中,实现了各个方向的姿态控制、高度控制,在此基础上,根据MAV飞行力学特性与实际飞行经验,建立了一个完整的专家控制体系,实现了MAV自主飞行控制。最后,运用Lyapunov理论,验证了系统的全局稳定性。

面向绿色航空的客机机翼外形和飞行条件设计

从环境影响、航空公司运营、乘客体验多个角度,基于多学科分析框架,提出综合研究机翼参数和飞行条件对进场噪声、起降循环期间污染气体排放量、温室气体总排放量、直接运营成本和航时等性能的影响。分析表明,减少襟翼开缝有助于降低噪声,但需要增大机翼面积来弥补气动性能损失;降低巡航高度可以降低温室气体排放量,却伴随着直接运营成本和航时的增加;加大进场坡度可以降低进场噪声和起降循环的排放量。综合经济性和环保性进行多目标优化,获得了两种典型的飞机构型及对应的飞行条件。

新型变摩擦滑橇式飞行器滑跑纠偏

相较于轮式起落架,结构轻巧紧凑的滑橇式起落架更适用于扁平化的高超声速飞行器,然而前轮后橇布局所固有的地面力学特性使得飞行器在中速滑跑阶段存在严重的航向失稳问题。针对滑橇式飞行器滑跑航向稳定性较差的问题,提出了一种具备航向增稳功能的新型变摩擦滑橇式起落架。建立了滑橇式飞行器的非线性地面滑跑动力学模型,考虑了气动载荷、地面载荷和纠偏机构模型;基于摩擦特性试验结果得到了滑橇及摩擦材料摩擦系数的多参数拟合公式,并将其代入所提滑跑模型以提高精度;引入积分视线(ILOS)法建立了滑橇式飞行器滑跑纠偏控制系统,并采用粒子群算法优化控制参数。试验结果表明:滑橇及摩擦材料的摩擦系数均随速度和压强的增加先增大后减小;典型初始工况下的滑跑仿真结果验证了基于变摩擦滑橇纠偏控制的有效性;当摩擦材料摩擦系数从0.3增至0.4时,飞行器地面滑跑安全边界提升16.6%。

仿枫树种子微型飞行器的总体与飞行控制设计

通过模拟枫树种子独特的自旋飞行方式,设计了一种仿枫树种子的新型微型飞行器。参考枫树种子的外形与重量分布来完成该微型飞行器的总体布局设计,同时采用动态网格非定常流场方法计算分析了该飞行器不同转速下的飞行工况。根据这种飞行器独特的飞行方式,基于地磁场的方位定标,设计了这类自身无固定参考系飞行器的飞行控制方法,最后制造了样机进行飞行试验。结果表明:仿枫树种子微型飞行器具有良好的气动效率,所设计的操纵方案有效可靠,大大增加了这种飞行器的可控性和实用性。

基于仿生技术的尾座式VTOL无人机起降稳定控制及轨迹优化

尾座式垂直起降(Vertical takeoff/landing,VTOL)无人机(Unmanned aerial vehicle,UAV)稳定性差,与传统起落架的适配性低。针对上述问题,提出了一种采用自由尾翼技术的新型起落架。该起落架采用串联多级结构,在降低机身高度的同时,保证了巡航状态下尾翼力臂的长度,并通过虚拟中心点力分布技术对动态着陆过程进行调控,简化了控制过程,有利于模式转换过程中的无缝轨迹优化。随后基于猫中心点单点数据集,利用神经网络对起落架控制进行训练,有效提高了起落架自适应起落速度和精度。最后,结合无人机不同模式的参数要求,进行多目标优化和相似性转换,有效提高了尾座式垂直起降无人机的着陆适应性和稳定性。

飞机刹车诱导颤振稳定性分析与减振设计

以飞机刹车装置为研究对象,对飞机刹车诱发振动问题进行了研究。针对飞机滑跑过程中的复杂制动环境对盘面摩擦特性影响,建立了考虑液压系统及盘面材料属性的刹车盘组非线性动力学分析模型,且为新材料技术的发展预留了模型接口。从实际工程应用价值出发,以机轮速度、液压系统等效阻尼、刹车盘面阻尼、盘面摩擦特性几类关键因素为控制变量,利用数值仿真与分岔理论等非线性分析手段研究了上述参数对系统稳定性的影响,并确定了使系统保持稳定的结构参数范围,方便对结构进行参数化快速分析设计。基于模型分析的结果,揭示了刹车振动产生的部分原因,从结构参数和刹车控制律两方面针对性的提出了对应的减振优化措施,进而形成了完整的飞机刹车诱导颤振的分析方法,为飞机制动器设计初期提供了理论参考依据。

高频扑动微扑翼飞行器多目标优化设计

微扑翼飞行器高频扑动时机翼与机身最大载荷急剧增加,严重影响飞行性能和飞行寿命。分析微扑翼扑动过程中机翼运动情况及受力情况,建立扑动过程中机翼升力、阻力和惯性力数学模型,提出以改善载荷在时间域上分布情况为目标的多目标优化模型,并且在Matlab环境下采用NSGA-Ⅱ算法进行求解,得到悬停状态下的Pareto最优解集。结果表明:提出的优化模型使升力峰值与惯性力峰值显著降低,载荷分布情况得到明显改善。

适合于柔性结构扑翼飞行器的空间非定常涡格法

推导了新的基于空间非定常涡格法的扑翼飞行器升力和推力的计算公式,然后分析了瞬时形状速度对它们的影响。与实验结果的对照表明,基于向量分析、考虑了飞行中的诱导阻力因素的新公式可以有效地估算升力和推力。由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形,本文考虑了空间涡格法中扑翼的/ηt对气动力的影响,提出了/ηt的表达式,使之更接近真实扑动情况,并计算了其对扑翼飞行器升力和推力的影响。通过计算发现,升力系数和推力系数的正峰值和负峰值随/ηt增大而增大,平均升力和平均推力也随/ηt增大而增大,表明可以通过改变结构参数达到改善气动性能的目的,对扑翼飞行器的研制有一定的指导作用。

膜扑翼飞行器的变形研究

最近昆虫翼的变形成了研究热点,而扑翼飞行器的变形力学研究却几乎无人问津。然而,无论昆虫、鸟类还是扑翼飞行器在飞行时,翼的变形都是存在的,要精确计算翼扑动产生的气动力,必须考虑其变形。本文比较了导致变形产生的膜扑翼飞行器的惯性力和气动力在一个周期中的变化情况,发现它们的峰值比值为2左右,然后提出了在随体坐标系中的固支边界条件,采用有限元法计算了惯性力和气动力分别对变形的影响,发现扑翼飞行器的气动力对变形的影响是不可忽略的重要因素,而惯性力与气动力的合力引起的最大正变形发生在下扑初始阶段,最大负变形发生在上扑初始阶段。本文为扑翼飞行器的设计提供了力学分析基础。

基于前起落架突伸技术的新型缓冲器仿真设计分析

针对舰载机的前轮拖曳弹射起飞方式,结合前起落架突伸技术对缓冲器构型进行了研究,确定了缓冲器的组合突伸模式。基于常规型双腔油气式缓冲器提出了改进的缓冲器构型,并通过适当减小缓冲器的反弹阻尼来缩短突伸时间。应用动力学仿真软件LMS Virtual.Lab与机械/液压仿真软件AMESim实现了舰载机前起落架弹射-突伸动力学联合仿真。仿真结果表明:缓冲器各关键参数的变化与理论计算结果一致;增加高压充气的突伸模式比单纯释放储存势能的突伸模式能够获得更好的突伸效果,改进设计型缓冲器可有效缩短突伸时间。

高超声速飞行器参数化几何建模方法与外形优化

飞行器几何建模是进行外形优化设计的基础,针对尺寸和形状驱动的飞行器外形参数化几何建模要求,采用类型函数/形状函数变换技术,建立面向族的参数曲面,通过调整少量尺寸参数或类型函数/形状函数控制参数,可以衍生出多种设计构型,且相互转换十分便捷。相比现有CAD和二次曲线建模方法,在模型简化和设计变量数量有效控制方面具有优势。升力体和乘波体两种典型布局飞行器的外形建模与应用表明方法简单、有效、适应性强,可以满足飞行器概念设计阶段外形优化的要求。

基于单目视觉的室内微型飞行器位姿估计与环境构建

针对微型飞行器(Micro air vehicle,MAV)在室内飞行过程中无法获得GPS信号,而微型惯性单元(Inertial measurement unit,IMU)的陀螺仪和加速度计随机漂移误差较大,提出一种利用单目视觉估计微型飞行器位姿并构建室内环境的方法。在机载单目摄像机拍摄的序列图像中引入一种基于生物视觉的方法获得匹配特征点,并由五点算法获得帧间摄像机运动参数和特征点位置参数的初始解;利用平面关系将特征点的位置信息由三维降低到二维,给出一种局部优化方法求解摄像机运动参数和特征点位置参数的最大似然估计,提高位姿估计和环境构建的精度。最后通过扩展卡尔曼滤波方法融合IMU传感器和单目视觉测量信息解算出微型飞行器的位姿。实验结果表明,该方法能够实时可靠地估计微型飞行器的位置和姿态,构建的环境信息满足导航需求,适用于微型飞行器室内环境中的导航控制。

飞翼式飞行器结构布局与构件尺寸的两级优化

为优化飞翼式飞行器的结构,提出同时考虑结构布局优化和构件尺寸优化的两级优化方法.第1级优化将翼梁数量范围和位置范围作为约束,以重量最轻为优化目标,采用iSIGHT的多岛遗传算法优化结构布局;第2级优化给予第1级给定的结构布局方案,在满足应力约束和位移约束的前提下,确定各构件最佳尺寸,使该结构布局方案的结构重量最轻.在第2级优化中,根据CAD外形模型和固定的结构布局参数,采用MSC Patran的PCL语言自动生成飞机的结构有限元模型,采用MSC Nastran优化全机结构,并将优化结果返回给第1级.再通过两级之间的迭代获得结构布局和构件尺寸的最优设计方案.整个两级优化过程用iSIGHT集成.实例表明该方法为飞翼式飞行器结构布局和构件尺寸协同优化问题提供1种有效的解决办法.

半刚性机械展开式再入飞行器气动特性研究

半刚性机械展开式再入飞行器具有受整流罩包络约束小、运载效率高、减速效果好等优点,具有广泛的应用前景。文章基于计算流体力学方法进行了不同马赫数及迎角下飞行器的流场数值计算,分析其流场特性及气动力、气动力矩,结果表明:由于粘性作用,飞行器背部有较明显的涡产生。随着马赫数的增大,气流压缩性效应更加显著,涡的范围变小,超声速情况下弓形激波离物面距离减小;迎角增大导致飞行器前端面驻点位置变化,为保证驻点位置位于刚性头锥上,飞行器再入时的迎角范围应在±20°范围内。迎角为0°和180°时,阻力系数大,迎角在90°附近时,阻力系数最小;飞行器质心在对称轴上时,在0°~180°范围内存在3个俯仰力矩系数为0的点,其中0°和180°为静稳定点,另一个为静不稳定点。文章的研究结果对半刚性机械展开式再入飞行器的设计及分析有一定参考意义。

柔性膜微型扑翼飞行器气动力的数值研究

采用数值法计算了膜扑翼飞行器的气动力,并与实验结果进行了对比.将惯性力和刚性扑翼产生的气动力作为原始载荷,采用有限元法计算了膜扑翼的变形,分析了此变形引起的气动力的变化.与实验结果的对照表明,该计算结果有较好的可靠性.与刚性扑翼相比,膜扑翼对升力的影响不大,但是大大地增大了推力的正峰值,使得推力有较大的增加,从而改善了扑翼飞行器的气动性能.

飞机总体多学科设计优化的现状与发展方向

通过对飞机总体多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization,MDO)研究进展的分析,为飞机总体MDO进一步研究和应用提供基础。首先阐述飞机总体MDO与传统飞机总体参数优化的区别,然后介绍MDO领域中重要成果,包括代理模型技术、多学科敏度分析、MDO策略和MDO环境。着重分析飞机总体MDO的关键技术及其实现途径,包括飞机总体MDO流程、参数化飞机几何模型、分析模型的自动生成、耦合关系分析与表示、数据交换与数据管理和MDO环境的建立。指出面向一体化产品开发团队的MDO、基于不确定性的MDO和面向飞机族的MDO是飞机总体MDO研究的3个新的研究方向。飞机总体MDO使飞机总体设计过程更加科学化和自动化。

面向多学科设计优化的模型生成器

多学科模型生成器是复杂产品多学科设计优化的关键问题之一。综合应用CATIA二次开发技术、网格生成软件Gridgen的脚本语言和Patran的二次开发语言,研究了一种多学科模型生成器。该模型生成器基于一个统一的三维CAD模型,可以自动生成各学科的分析模型。首先阐述编制多学科模型生成器的关键技术,然后以一个飞翼布局飞行器作为应用对象,详细阐述多学科模型生成器的编制过程。研究表明该多学科模型生成器能自动生成气动、隐身和结构分析模型,实现了从CAD模型到气动、隐身和结构分析模型的无缝连接,解决了飞翼布局飞行器总体多学科设计优化中的一个关键问题。

基于高精度模型的机翼气动结构多学科设计优化方法

利用低自由度协同优化方法对轻型飞机机翼进行了气动/结构多学科设计优化,气动和结构两个子系统实现了并行,其中气动分析采用CFD软件Fluent,结构分析优化采用有限元软件MSC.Patran&Nastran。建立了基于Catia、Gambit和Fluent等通用软件的气动自动化分析模型。提出了利用三系数四次响应面模型拟合机翼上的升力分布以实现不同子系统并行和气动力的传递。以气动自动化分析模型和三系数四次响应面气动载荷分布模型为基础,提出了面向高精度气动分析的气动分析代理模型的建立方法。机翼优化结果表明LDFCO/V1方法可以成功地利用高精度模型实现机翼气动/结构多学科设计优化。