飞机垂直/短距起降技术的研究

回顾垂直/短距起降(V/STOL)喷气式飞机的发展情况,介绍鹞式战斗机、雅克战斗机以及JSF战斗机的升力推进技术特点,分析以升力发动机、矢量喷管和升力风扇为核心的升力推进系统的特征,并且指出了这些飞机的推进系统存在的缺点。鉴于此,研究了一种新型扇翼飞行器——扇翼机。该飞行器具有超短距起降(甚至可垂直起降)的特性以及其他很多优点。对这种扇翼机建立了纵向的数学模型,在Matlab/Simulink环境下通过数值仿真,验证了其具有超短距起降的特性。从结果还可以看出重心位置、转速以及升降舵偏转角对扇翼飞机起降距离的影响。

垂直/短距起降飞机的轨迹跟踪控制器设计

针对垂直/短距起降飞行器在悬停状态下滚转力矩与横侧向推力存在强耦合、系统具有非最小相位特性的问题,本文设计了轨迹跟踪控制器.首先利用坐标变换和输入输出线性化将系统分解成最小相位子系统和非最小相位子系统.对非最小相位子系统,采用稳态系统中心的方法求解理想内部动态,并跟踪系统理想内模设计了LQR控制器,使得内部动态有界;对最小相位子系统设计了高增益控制器使得外部动态渐进稳定.仿真结果表明本文设计的控制器对给定轨迹和飞行器机动轨迹都有较好的跟踪效果,验证了控制器的有效性.

垂直/短距起降飞机非线性动力学建模与仿真

垂直/短距起降(V/STOL)飞机具有广泛而高效的军事应用前景.为研究V/STOL飞机复杂的飞行控制问题,需要建立能够准确反映其动态特性且可用于飞行仿真的动力学模型.综合考虑V/STOL飞机的多进气道气流量变化、大迎角非线性和迟滞非定常特性、地面效应和喷气诱导效应等因素的影响,利用线性叠加原理并结合机理建模与经验公式,建立了全面的推进/气动力与力矩模型;在此基础上,基于刚体动力学和运动学原理,推导得到了V/STOL飞机的全状态六自由度非线性数学模型;最后,仿真分析了V/STOL飞机的地面效应和喷气诱导效应引起的动力学变化及其三角翼非定常动力学特性.结果表明:地面效应对V/STOL飞机动力学的影响可以忽略,而近地飞行时的喷气诱导效应会导致较大的升力损失,离地越近损失越大;V/STOL飞机的非定常动力学源于飞机迎角变化所引起的气动力滞环效应,且迎角越大、空速越小,滞环效应越显著,非定常动力学特性越强.所建模型物理意义明确、计算方便,能够较为准确地反映V/STOL飞机的动力学特性,可为其不同飞行模式下的模型简化应用和飞控系统设计提供帮助.

垂直/短距起降飞机的过渡段控制律设计

为实现在推力矢量控制下的垂直/短距起降(STOVL)飞机加减速过渡,研究过渡段的控制律综合设计方法。首先通过分析垂直/短距起降飞机的加减速过渡性能,对加减速过渡推力矢量控制方法进行了评估。然后采用改进的特征结构配置方法进行垂直/短距起降飞机加减速过渡段的控制律设计,伴随动压变化加入姿态喷管控制,辅助气动舵面稳定姿态。全量六自由度飞行仿真结果表明,当飞机加速或减速到最小平飞速度时,垂直/短距起降飞机依然具有良好的姿态稳定能力。

三军通用 百变制敌——试论我国发展垂直/短距起降战斗机的必要性和可行性

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无尾布局垂直／短距起降飞行器动力学与飞行控制

无人作战飞机是航空武器装备的重要发展方向，垂直／短距起降能力是下一代作战飞机和舰载作战飞机的追求目标之一。无尾布局垂直／短距起降飞行器具备提高生存性必须的隐身能力和近距空战所倚重的超机动飞行能力，但也产生了一系列增稳与控制问题。本文以某型原理验证机为背景，进行了平台的总体设计，在此基础上建立无尾布局垂直／短距起降飞行器的数学模型，并通过智能自适应方法对其进行控制，控制量通过控制分配合理的协调各操纵面，最后在MATLAB7．0／Simulink环境下通过数字仿真进行了验证，结果证明了本文所提设计方法的有效性。

垂直/短距起降飞机的控制仿真技术

针对垂直/短距起降飞机的特点,通过在某型飞机上虚拟加装升力风扇系统,建立了垂直/短距起降飞机的动力学模型,提出了垂直起降阶段垂向、纵向、横向和航向的控制方式并完成了控制律的设计与验证。研究结果表明,所建立的垂直起降动力学模型能够描述垂直起降飞机的动力学特点,提出的控制方式和设计的控制律能够有效地控制飞机实现垂直升降、侧飞、偏航、前飞和后飞等运动,可用于垂直起降飞机的飞行品质、起降程序的设计和验证等相关方面的研究。

垂直/短矩起降飞机机翼内埋式风扇布局气动特性分析

以垂直/短距起降飞机过渡飞行状态为背景,针对机翼内埋式风扇布局的自由来流/风扇喷流混合型流动,基于结构/非结构混合网格使用CFD方法进行了非定常数值模拟和分析.首先使用滑移网格技术对NASA涵道螺旋桨进行算例验证,其时均计算结果与实验值的误差为5.3%,证明了计算方法的可靠性和准确性,然后数值模拟了机翼内埋式风扇布局在不同迎角下的气动性能.结果表明:风扇喷流在机翼上产生了特有的"抽吸"和"堵塞"效应,引起了机翼总升阻力的显著增加,升力最大增量达到干净机翼升力的2.6倍,阻力最大增量为干净机翼阻力的3.2倍,混合流场在机翼后缘引起了升力损失并卷起对涡.

V/STOL飞机建模与仿真分析

以原理验证机为背景,建立了无尾布局垂直/短距起降飞行器的数学模型,并通过智能自适应方法对其进行了闭环飞行控制,控制量通过控制分配合理的协调各操纵面,最后在MATLAB7.0/Simulink环境下通过数值仿真进行了验证。结果显示,该平台具备垂直/短距起降能力和较好的飞行性能。

S弯D形矢量喷管参数化设计及气动特性研究

为了满足战机对垂直/短距起降能力的要求,基于曲率控制方法对具有D形出口的S弯喷管进行参数化设计,进而可实现喷管尾段的大角度偏转。随后对不同偏转角、落压比以及设计参数的S弯D形矢量喷管气动特性进行数值模拟,对比并分析了喷管的气动特性。计算结果显示:无偏转条件下,随着落压比π从1.5增大至3.5,喷管流量系数先增大后平稳,在π=2.5时达到最大值,推力系数先增大后减小,且推力方向为飞行器产生一定的抬头力矩;落压比恒定时,随着偏转角度从0°增大至90°,喷管流量系数、推力系数下降,矢量超前角由负值不断增大至+6°左右;设计参数中预留偏转角对喷管气动性能影响较大,而S弯中心线控制系数对气动性能影响较小。本文提出的S弯D形喷管具有较好的气动性能,小偏转角度下矢量角变化趋势较为一致,亦可通过出口段偏转实现发动机推力的大角度矢量偏转。

基于高阶LADRC的V/STOL飞机悬停/平移模式鲁棒协调解耦控制

针对垂直/短距起降(V/STOL)飞机在悬停/平移模式下存在的动力学耦合、推力矢量控制冗余以及易受扰动风影响的问题,提出了一种基于高阶线性自抗扰控制(LADRC)的鲁棒协调解耦控制方法。首先根据V/STOL飞机的概念方案,建立了推力矢量模型和扰动风影响下的非线性悬停/平移运动模型。然后在此基础上,给出了该模式下位置和姿态的协调控制策略,据此通过控制量变换设计了六通道的自抗扰解耦控制律,其中利用LADRC对总扰动的实时估计补偿能力避免了多推力矢量的冗余控制。仿真比较结果验证了LADRC对悬停/平移模式控制的有效性以及对飞机内部参数摄动和外界突风干扰的鲁棒性。

一种多扇臂飞行器的创意设计

通过对现今的四轴飞行器和扇翼机的巧妙结合,利用CAD和CATIA软件在机体结构,机体布局,控制舵面的安装方式,横流风扇的制作,动力的搭配上进行独特的创新设计,最终制作出一种具有短距/垂直起降功能的创意多扇臂飞行器。

基于LADRC的舰载V/STOL飞机短距起飞性能优化

针对垂直/短距起降(V/STOL)飞机在有限的甲板上实施滑跑起飞以及离舰后快速、稳定爬升的实际需要,对其整个过程进行操控优化以提升短距起飞性能。建立了反映多推力矢量操纵特性的非线性动力学模型,其中包含了地面效应模型和V/STOL飞机特有的喷气诱导效应模型。分别以舰面滑跑距离最短和离舰后增速时间最短为优化指标,给出了舰面滑跑和离舰初期的预置多推力偏转方案。在此基础上,提出了一种线性自抗扰反演(LADRC-Backstepping)控制方法,以实现对爬升角不确定非仿射系统的有效控制,其中设计了一种辅助补偿系统来拟制控制量的饱和,同时保证了爬升角跟踪误差的有界性;直接利用一种高阶LADRC方法设计了俯仰角控制器,确保了V/STOL飞机最终以稳定的姿态爬升。仿真结果表明,所提出的'二次预置多推力偏转角+爬升角控制+俯仰角控制'的分段优化操控策略,能够较好地提升V/STOL飞机的短距起飞性能,对内部不确定性和外界干扰具有较强的鲁棒性,可满足实际飞行任务的需要。

翼上螺旋桨构型耦合气动特性及翼型优化设计

针对半环形式翼上螺旋桨构型,研究了螺旋桨-机翼耦合流场特性,并以短距起降(STOL)状态最优升阻特性为目标对机翼翼型进行全局优化。首先,针对螺旋桨-气动面耦合构型,通过动量源法与真实桨叶模型CFD的计算对比,分析动量源法用于该构型设计分析的可行性。其次,为得到有利于桨-翼耦合特征的新翼型,建立了翼上螺旋桨构型自由型面变形(FFD)参数化模型,采用遗传算法对翼上螺旋桨构型机翼翼型进行全局寻优设计,分析了优化翼型参数及流场变化规律。最后,将优化翼型用于三维半环形机翼,分析其流场特性与二维计算结果的异同,验证二维翼型优化的有效性。结果表明:真实桨叶多重参考系(MRF)方法不能准确计算翼上螺旋桨构型下的流场结构,而动量源法计算结果与真实桨叶滑移网格非定常方法较为吻合;采用二维动量源CFD方法进行翼型的遗传算法优化是有效的,受半涵道的保护,二维优化翼型的优势在三维构型中得到了有效继承;翼上螺旋桨构型的翼型优化应当着重关注翼面曲率变化,在本文计算状态下,通过增加桨盘附近翼面曲率、保持附着流动来加强Coanda效应,有效实现了气动增升,优化后机翼升力提高了22.51%,显著减弱桨盘后高压区并产生二次吸力峰值,同时保持了机翼负阻力特性。

基于增量动态逆的V/STOL飞机悬停段控制

针对垂直/短距起降飞机在悬停段存在的动力学耦合、推力矢量控制冗余以及易受风干扰的问题,提出了一种基于增量非线性动态逆的协调解耦控制方法。首先,根据垂直/短距起降飞机概念方案,建立了推力矢量模型和悬停段的飞机六自由度非线性模型。然后,根据时标分离原则,对不同时间尺度的子系统使用增量非线性动态逆方法设计了控制律。对于推力矢量控制冗余,采用改进的自适应粒子群算法进行控制分配。仿真结果验证了方法的有效性,以及对飞机参数摄动和风干扰的鲁棒性。

英国航母的昨天、今天和明天

英国曾经是人类历史上最强大的海权国家,自1588年战胜西班牙"无敌舰队"之后,称雄了三个半世纪.1945年二战结束时,英国拥有52艘航空母舰,其中光辉级舰队航母6艘、巨人级轻型舰母3艘、独角兽级护航航母42艘.