倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积可视化计算方法

机翼滑流区面积计算是进行倾转旋翼飞行器旋翼与机翼气动干扰分析的关键,针对倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积计算,基于CATIA二次开发和参数化设计技术,结合气动计算和三维几何图形运算,提出一种可视化计算方法,其能够在考虑机翼和旋翼参数影响的情况下,准确计算机翼滑流区面积,并且能够直观地确定机翼滑流区区域及机翼滑流区随各项参数的动态变化过程。通过基于XV-15倾转旋翼飞行器参数进行实例计算和分析,结果表明:机翼安装角、后掠角、上反角等机翼参数在纵向和侧向分析时对机翼滑流区面积影响较小;旋翼后倒角、侧倒角及旋翼主轴侧倾角等旋翼参数对机翼滑流区面积影响较大;在不考虑旋翼后倒角和侧倒角的情况下,采用所提方法对XV-15倾转旋翼飞行器机翼滑流区面积进行计算,计算精度最大可提升18.976%。

倾转旋翼飞行器飞行力学模型研究

对倾转旋翼飞行器飞行力学模型的建立进行了理论研究。其中旋翼的气动模型,使用了非定常叶素理论,而对于机翼、尾翼和机身的气动力计算则采用了成熟的升力线理论模型。对于气动干扰的问题,则主要是考虑了机翼与旋翼的气动干扰。最后对算例飞行器不同模式下的飞行状态进行了飞行特性计算,验证了所建模型的合理性。

倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制

采用余弦加权分配法克服了控制操纵冗余问题,采用内/外回路控制结构解决了通道间耦合问题,实现了不同飞行模式下飞行控制系统统一建模。针对无人倾转旋翼飞行器动力学模型难于准确建立问题,引入伪梯度向量和伪阶数,应用无模型自适应飞行控制策略,使飞行控制系统对存在动力学特性非线性、时变性和未建模部分的被控对象具有更强的自适应性和鲁棒性。仿真验证了无模型自适应控制器的自适应性和鲁棒性优于比例-积分-微分控制器,给出了倾转旋翼飞行器由直升机模式到过渡模式再到飞机模式的全过程仿真,验证了无模型自适应控制器能够应用于倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,为无人倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,提供了一套新的控制系统设计方法,便于工程实现。

无人倾转旋翼飞行器冗余操纵控制策略设计

根据所建立的无人倾转旋翼飞行器飞行动力学模型配平和小扰动线性化处理结果分析了不同飞行模式下的操纵效率,应用多目标非线性控制方法的目标优化函数性能指标得到了操纵效率矩阵系数,设计了一套实用的舵面驱动分配策略,实现了飞行器全模式飞行,解决了飞行控制随飞行模式变化所要求的操纵冗余问题.采用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计控制器,有效降低了飞行控制器的设计难度.给出了一个全模式飞行仿真样例,运用线性PID控制器实现了稳定飞行控制.利用倾转旋翼飞行器飞行动力学模型仿真验证了操纵分配策略的有效性.

倾转旋翼飞行器的操纵策略和配平方法

根据倾转旋翼飞行器的构型特点,建立了倾转旋翼飞行器旋翼、机翼、短舱、机身、平尾(含升降舵)和垂尾(含方向舵)的气动力模型,研究了倾转旋翼飞行器的操纵策略以满足直升机模式的悬停/小速度飞行、直升机模式向固定翼飞机模式转换的过渡飞行和固定翼飞机模式的高速飞行,并运用最优方法研究倾转旋翼飞行器在不同飞行速度下作稳定对称飞行时的配平方法。最后以XV-15倾转旋翼飞行器为例,进行各种飞行模式的配平。结果表明:本文所述方法能合理地给出倾转旋翼飞行器在整个稳定飞行速度范围内的操纵量和姿态。

倾转旋翼飞行器飞行力学建模及验证分析

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,考虑旋翼挥舞运动、采用有限状态尾迹模型描述旋翼诱导速度,进而建立旋翼气动力数学模型;考虑旋翼/机翼/干扰,建立相应气动力数学模型;针对倾转旋翼飞行器操纵冗余问题,建立了适用于全模态的操纵策略数学模型。最后以通用倾转旋翼飞行器数学模型和飞行试验数据,对建立的数学模型进行验证。仿真结果表明建立的飞行动力学模型具有良好的精度,适用于飞行动力学其他问题的分析研究。

基于广义动态尾迹倾转旋翼飞行器数学建模

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,采用广义动态尾迹理论建立旋翼的诱导速度模型,进而建立了旋翼气动力计算模型;考虑旋翼尾流对机翼的影响,建立了机翼气动力模型;考虑旋翼和机翼对其他升力面的气动干扰,建立相应的气动力计算模型;最后以XV-15倾转旋翼飞行器为例,对建立的模型进行验证。仿真结果表明:建立的飞行动力学模型可以很好地反映飞行器的物理特性,适用于倾转飞行器的飞行动力学研究。

双桨倾转旋翼飞行器的最优飞行控制

对最新发展的双发倾转旋翼飞行器进行了研究,建立了旋翼飞行器推力矢量控制系统的数学模型,得到了两个最优飞行控制定理。由这两个定理建立了最优起飞巡航飞行轨迹。分析结果表明,该飞行器具有节约动力能源,机动性好和多用途等优点。计算机仿真证实了飞行控制系统的最优性和有效性。

基于自抗扰滑模理论的倾转旋翼飞行器非线性姿态控制研究

倾转旋翼飞行器具有非定常、非线性、不同通道耦合明显和控制冗余等特性。本文基于分体法和Pitt-Peters动态入流理论建立的非线性模型能够很好模拟该类飞行器气动力学特征。结合自抗扰控制理论、滑模控制理论和动态面控制理论的新型自抗扰滑模控制算法,利用跟踪微分器得到对象姿态角和姿态角速度的指令,利用基于滑模理论的新型滑模扩张状态观测器估计内外部干扰,包括模型误差和多通道耦合等。该新型算法具有对被控对象摄动和内外部干扰适应能力强、参数清晰等优点。不同飞行状态的仿真结果表明,该算法具有较好的控制效果和鲁棒性。

倾转旋翼飞行器配平及仿真分析

倾转旋翼飞行器是一种特殊的飞行器,在操纵方式上既有直升机的旋翼操纵,又有定翼机的舵面操纵,在过渡段何时完全退出旋翼周期变距操纵是一个很有研究意义的问题。在进行仿真特性分析之前,首先需要对倾转旋翼飞行器过渡段进行数学建模,利用统一的数学模型对倾转旋翼飞行器过渡段进行描述。考虑倾转旋翼飞行器XV-15的复杂空气动力学,加入旋翼尾流对机翼、垂尾以及平尾的气动干扰,建立了该飞行器的数学模型。利用Maltab仿真软件搭建了XV-15的simulink仿真模型,分别对直升机模式、定翼机模式以及过渡模式进行了配平,并对配平结果进行了分析,分析了不同飞行模式下的操纵特性规律,并给出了何时完全退出旋翼周期变距操纵量的建议。

基于增量动态逆的倾转旋翼飞行器飞行控制律设计

针对非线性动态逆控制对模型精确度要求高、鲁棒性差的特点,设计了基于增量非线性动态逆方法的倾转旋翼飞行器全模式飞行控制律。在倾转旋翼飞行器动力学模型的基础上推导出增量动态逆控制律,针对倾转旋翼飞行器操纵存在冗余的特点,在增量动态逆算法的基础上引入舵面控制分配算法;提出一种实时解算控制效率B阵的方法,并设计了一种能够降低对精确数学模型依赖的全模式控制律。通过仿真验证了所提算法对倾转旋翼飞行器控制的有效性。

倾转旋翼飞行器最优推力矢量控制

最优控制中的线性状态调节器对于一个易受外界扰动的系统来说具有十分重要的作用。飞行器在飞行过程中经常会受到风之类的外界扰动,使其偏离正常运行轨道,因此在设计飞行器的时候,考虑滚动通道和偏行通道的状态反馈调节器对于飞行器的正常飞行来说具有十分重要的意义。基于此,该文对最新发展的双发倾转旋翼飞行器进行了研究,通过建立其数学模型,分析设计了旋翼飞行器的滚动通道和偏行通道的线性状态控制器,最优飞行控制给出了倾转旋翼飞行器的最优矢量推力控制。分析结果表明:该飞行器具有节省动力能源,机动性能好以及抗干扰能力强等优点。计算机仿真证实了飞行控制系统的最优性和有效性。

倾转旋翼飞行器定翼机模态模型预测控制

以XV-15为原型,建立倾转旋翼飞行器纵垂通道三自由度非线性全量模型并线性化。针对其定翼机模态下的纵垂向控制问题,采用级联控制方案,设计基于状态空间模型预测算法的控制器,不同短舱角采用同一组参数,实现无切换控制。仿真结果表明,所设计的飞行控制系统性能好、鲁棒性强,能够满足应用要求。

基于Isight的倾转旋翼飞行器前飞状态翼型优化

倾转旋翼飞行器被认为是下一代旋翼类飞行器的主要发展方向,研究其机翼的气动优化设计,对于提高该类飞行器的飞行性能具有重要意义。以NACA2412为原始翼型,首先,采用Hicks-Henne方法进行翼型参数化,并确定设计变量;其次,采用Isight集成翼型生成、网格划分、流场求解等软件,建立翼型自动优化平台;然后,采用基于最优拉丁超立方设计(Opt LHD)和径向基函数(RBF)的代理模型,并用多岛遗传算法(MIGA)进行机翼优化;最后,将优化后的翼型生成三维机翼,进行气动特性计算。优化过程中,对比两种边界条件的优化结果,以证明所用优化方法的有效性;为了减少计算量,使用动量源方法用作用盘代替旋翼。结果表明:根据机翼展向来流速度分布进行翼型优化,在前飞状态下优化后的机翼的升阻比提高了66.03%。

基于模糊PID控制倾转旋翼飞行器载重分析

倾转旋翼飞行器共有三个飞行模式,分别是直升机飞行模式、过渡飞行模式和固定翼飞行模式,本文主要是研究直升机飞行模式。国内目前研究直升机飞行模式,主要是针对其垂直起降阶段利用经典PID控制进行控制系统设计。直升机模式的主要优点是悬停载重,这是固定翼机不具备的。目前国内多采用经典PID作为直升机模式控制方法,而经典PID控制具有固有缺陷导致控制系统鲁棒性不强,悬停载重需要系统的抗干扰能力,所以对传统控制系统采取新的控制方法尤为必要。

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.

一款倾转旋翼电动垂直起降飞行器虚拟仿真设计

该文主要研究如何使用虚拟仿真技术及软件设计一款倾转旋翼电动垂直起降飞行器。通过市场调研了解市面上此类型电动垂直起降飞行器的具体性能参数,以此为参考设计该项目中飞行器的性能参数,同时还研究了倾转旋翼eVTOL垂直起降飞行器作为一类特殊飞行器在虚拟仿真实现过程中涵盖的主要关键技术,探索电动垂直起降飞行器未来的发展路线,并对飞行器进行3D建模,实现倾转旋翼eVTOL飞行器在安胜FAM/eVTOL生态仿真系统中进行演示,以验证及展示其设计。

倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,配平结果表明该倾转旋翼飞行器旋翼对机翼气动干扰产生的向下载荷模型是合理和有效的,适用于倾转旋翼飞行器的飞行动力学研究.

基于模糊PID的倾转旋翼飞行器过渡段控制系统设计

针对倾转旋翼飞行器过渡段参数不确定的特点,通过引入专家经验到模糊规则表,并结合模糊控制和PID控制的特点,所设计控制系统通过查表方式实时调整PID的参数,MATLAB仿真显示,模糊PID在短舱角较小和较大时,均能够追踪系统达到平稳状态。

非定常预处理方法在倾转旋翼飞行器悬停状态气动干扰模拟中的应用

针对倾转旋翼飞行器的多种速度尺度并存的复杂流动问题,发展了能够统一求解同时包含不可压缩流动和可压缩流动的非定常预处理方法和一种考虑了流场物理信息传播方向的预处理远场边界条件。结合适用于倾转旋翼飞行器的复杂外形及大位移问题的非结构混合网格技术和重叠插值技术,建立了倾转旋翼飞行器的数值模拟方法。在此基础上,首先通过悬停算例验证了数值方法的有效性,确定了选择预处理截断参数的原则。然后探究了倾转旋翼飞行器直升机模式悬停状态的尾迹涡结构演化过程,研究了"喷泉效应"和"地面效应"对倾转旋翼气动性能的影响。计算结果表明,旋翼尾迹涡的耗散在不同方位角存在较大差异。"地面效应"抑制了旋翼尾迹的发展,提高了旋翼整个方位角区域的升力系数,而不仅限于机翼上方方位角区域。"地面效应"作用强于"喷泉效应"作用,使旋翼相对于孤立旋翼拉力系数略微增大了5.26%,但同时整个倾转旋翼飞行器的总的向上的力只有孤立旋翼拉力的82.46%。结论表明预处理方法和预处理远场边界条件能够较好地模拟倾转旋翼飞行器悬停状态的干扰流场,兼顾了数值计算的耗散性和稳定性。气动干扰对倾转旋翼飞行器整体气动性能有重大影响。