飞翼布局飞行器结构拓扑优化设计

飞翼布局飞行器由于具有气动效率高的优势,将成为未来航空飞行器发展的主流方向,然而结构质量限制了其性能的进一步提升,结构优化是实现结构减重的重要技术。以飞翼布局飞行器内部结构为研究对象,建立拓扑优化模型,以柔顺度作为目标函数,探究飞翼布局飞行器全机内部结构的最优布置方式,分析弯曲梁构件在飞翼布局飞行器结构优化中的作用和减重机制,根据拓扑优化结果建立重构模型,同时依据Boeing第二代结构设计建立标准模型,使用尺寸优化评估重构模型相较于标准模型的减重效果。结果表明:在等柔顺度时,重构模型相比标准模型质量减少14.53%;在等质量时,重构模型相比标准模型全机柔顺度降低47.90%,并减少了44.87%的z向最大位移,拓扑优化减重和增加刚度效果显著,验证了弯曲梁构件的减重作用。研究结果可为飞翼布局飞行器结构减重优化奠定基础,建立的优化评估机制可为飞翼布局飞行器的内部结构设计提供参考。

基于CFD的飞翼布局无人机气动外形优化

飞翼布局因其独特的翼身融合的气动外形,大大提高了飞行器的有效升力面积,外形优化问题和布局优化对于此类构型气动性能的提升同样重要。本文为解决飞翼布局无人机气动外形优化问题,建立了高效的参数化建模方法,实现了适应复杂外形的几何参数化变形控制,将基于梯度的优化算法、离散伴随方法与基于RANS(Reynolds average Navier-Stokes)方程的计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法相结合,对飞翼布局无人机完成了气动外形的优化减阻设计,升阻比提升了7.17%。优化结果表明,在满足约束要求的前提下,基于上述技术的气动优化设计方法对翼身融合类构型具有良好的适应性,能有效改善无人机的气动性能。

带全动翼尖飞翼布局的颤振规律

现代战斗机的任务性能要求满足高速、高机动、隐身、轻量化等多目标,无尾飞翼布局飞机的气动效率高,具有良好的机动性、低可探测性和飞发一体化优势。该布局采用翼身融合、多操纵面和全动翼尖的结构设计。全动翼尖机翼新型结构使得其气动弹性问题突出,其中全动翼尖结构和各个操纵面之间的耦合作用,使得颤振问题尤为突出。采用线性颤振法和模态跟踪技术研究全动翼尖机翼的颤振问题,通过研究发现,无尾飞翼布局飞机结构的颤振耦合类型主要有3种:机翼对称一弯和全动翼尖对称旋转耦合型(对称耦合型)、机翼反对称一弯和全动翼尖反对称旋转耦合型(反对称耦合型)及机身模态参与的颤振型。通过研究发现,反对称耦合型的颤振速度要低于对称耦合型,而在机身模态参与的颤振结果中,机身和机翼的耦合颤振速度高于前两者,机身和全动翼尖的耦合颤振速度低于前两者。影响对称耦合型颤振的主要结构因素有机翼弯曲刚度和全动翼尖旋转刚度,而影响反对称耦合型颤振的主要有机翼弯曲刚度、机身转动惯量和全动翼尖旋转刚度。总之,全动翼尖结构是造成无尾飞翼布局飞机容易发生颤振的内在因素。

大展弦比飞翼布局飞机新型操纵面设计

大展弦比飞翼布局飞机取消常规布局的安定面和操纵面,本体的动态特性出现许多不足.介绍了在该新布局飞机上采用的升降副翼和开裂式方向舵等新型操纵面的气动特点,并在计算空气动力学的基础上分析了其三轴控制效率.引进舵容量的概念提出了操纵面的参数化设计方法,基于飞机的可控性对各新型操纵面的操纵效率需求进行了评估,最终对某型飞机的操纵面初步设计进行了修正.研究结果为飞翼布局飞机的操纵面设计提供了一套实用的方法.

飞翼布局飞机阵风减缓主动控制风洞试验

飞翼布局飞机具有优越的隐身和气动特性,但由于布局原因无法配置常规控制面,因此常规布局飞机的阵风减缓控制方法不再适用。针对大展弦比飞翼布局飞机,设计了风洞模型、具有沉浮和俯仰2个方向自由度的支持系统以及能够产生连续正弦阵风的阵风发生器,采用经典控制律理论设计了能够同时减缓翼尖过载和翼根弯矩的3组控制方案,开展了阵风减缓主动控制风洞试验,对开、闭环试验数据进行了分析。试验数据表明,和正常式布局飞机不同,阵风引起的飞翼布局飞机的翼尖过载和翼根弯矩在俯仰模态对应的频率处有一个很大的峰值,而在一弯频率附近峰值比较小;对于不同控制面组合,阵风减缓效果不一样;对于飞翼布局飞机,选用合适的控制面组合可以有效减缓阵风载荷和阵风响应。

开裂式方向舵对某无尾飞翼布局飞机气动特性影响的实验研究

开裂式方向舵是无尾飞翼布局飞机一种重要的阻力式偏航装置。本文在不同马赫数和舵偏下,通过风洞实验,深入研究了开裂式方向舵的作动对某无尾飞翼布局飞机气动特性的影响。研究结果表明开裂式方向舵是一种合理的偏航式操纵装置,能够在升力、侧力和俯仰力矩变化较小的条件下提供较大的偏航力矩,但也与滚转力矩存在一定程度的耦合。本文的研究为开裂式方向舵的工程化应用提供了一定的基础。

基于改进涡格法的飞翼布局飞机稳定性导数计算

由于没有垂直安定面,无尾飞翼布局飞机航向安定性通常接近中立或略微为负,造成了其横航向稳定性与常规布局飞机具有很大区别。因此无尾飞翼布局飞机在概念设计阶段,必须在进行气动性能优化的同时,计算获得较为准确的气动导数数据以对飞机横航向稳定性进行分析,这对气动计算软件计算精度和效率提出了很高的要求。本文在现有涡格法计算软件的基础上,提出了改进算法。以一概念飞翼布局飞机为算例进行计算,结果与风洞实验结果的对比证明:飞机具有侧滑角的情况下,改进算法比原算法计算精度有明显提高。

一种考虑交叉耦合效应的飞翼布局飞机控制分配方法

大展弦比飞翼布局飞机采用开裂式方向舵进行航向与阻力控制,开裂式方向舵大张角情况下与临近舵面间存在舵效的交叉耦合。交叉耦合力矩非线性特性突出,采用基于线性模型的控制分配方法会产生一定的分配误差。序列线性规划法可以解决考虑交叉耦合效应的分配问题,但对耦合力矩数学形式要求严格且求解需进行多次线性规划,实时性较差。给出了一种基于补偿的线性规划法,该方法的用舵量要大于序列线性规划法,但实时性要明显好于序列线性规划法且对交叉耦合力矩的数学形式没有固定要求。

隐身反设计下飞翼布局气动与隐身综合设计

为同时获得良好的气动和隐身性能,基于双发动机布局下飞翼无人机大鼓包式机身,采用隐身反设计思路,开展了飞翼布局气动与隐身综合设计与分析研究,提出了一种减小翼型前缘半径的机身前缘类"鹰嘴"形飞翼布局优化构型.分别采用CFD(计算流体力学)方法对M6机翼进行气动数值模拟方法验证,以及基于FEKO软件中MLFMM(多层快速多极子方法)和PO(物理光学法)对圆柱体和某飞翼布局缩比模型进行隐身数值计算方法验证,并利用该方法获得了飞翼布局无人机气动与隐身综合特性.结果表明:建立的气动与隐身数值模拟方法计算结果与实验吻合较好,数值计算方法是可靠的;基于隐身反设计思路构建的机身前缘类"鹰嘴"形飞翼布局设计不仅纵向气动特性略微提升,且前向(-25°~25°)隐身性能明显提高,充分表明了隐身反设计思路的有效性;前缘类"鹰嘴"形设计主要影响机身表面压力分布,并有助于提升升阻特性;前缘类"鹰嘴"形设计比传统钝形前缘设计在不同频率和不同滚转角下隐身特性均有所提高.

飞翼布局翼型气动隐身综合设计

针对飞翼布局翼型气动隐身综合设计问题,开展基于飞翼布局内外翼不同设计要求的翼型气动隐身综合优化研究。采用改进后的Hicks-Henne参数化方法实现翼型的参数化表达;分别采用基于雷诺平均N-S方程求解的计算流体力学方法及物理光学法和增量长度绕射系数法为基础的RCS分析方法计算翼型的气动、隐身性能;选择分层交换差分粒子群算法进行综合寻优设计研究。优化后的翼型兼顾了气动与隐身的要求,其综合性能优于原始翼型,满足飞翼布局的设计要求。结果表明该方法具有较好的实用性。

自抗扰实现飞翼布局无人机全包线飞行控制

本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)理论设计了包含内环姿态控制和外环轨迹控制的全包线飞行控制器.在姿态控制中,提出一种抗时滞LADRC控制方法,可以有效解决控制延迟和执行机构动态特性引起的LADRC响应振荡;在轨迹控制中,考虑飞翼布局无人机的气动特性,分别设计了高度、航向、侧向偏离等常用飞行模态的跟踪控制器.仿真结果表明,在气动参数存在不确定性及强风干扰的全包线环境中连续飞行时,所设计的控制器具有较好的控制性能和较强的鲁棒特性.与常规全包线控制方案相比,本文设计的全包线飞行控制器待整定参数较少,参数整定过程相对简单,为进一步的工程应用提供了参考.

飞翼布局低速支撑干扰及局部外形畸变影响数值模拟

飞翼布局具有气动效率高、隐身性能好的优点,是未来军民用飞机的重要发展方向。该类布局模型风洞试验尾撑、腹撑及背撑等支撑形式的干扰量及由此带来的模型局部外形畸变影响较为复杂,目前还没有通用的支撑方案和试验修正方法。采用CFD数值模拟方法,分别对某小展弦比飞翼布局标模低速尾撑支杆干扰和尾部外形畸变影响进行了研究,结果表明:在常用角度范围内,所使用的数值模拟方法是可靠的,可用于风洞试验支撑方案的评估及支撑干扰的修正;对纵向特性,尾撑支杆干扰量和尾部外形畸变影响量相对全量较小;对横航向特性,尾撑支杆干扰量基本可忽略,尾部外形畸变影响量与全量相当。

飞翼布局无人机进排气影响及机理分析

进气道尾喷管的存在不仅影响着飞机机身前后的流场特性与压力分布,而且影响着飞机升力特性、阻力特性以及力矩特性.为了研究进排气效应对飞机气动特性的影响,采用计算流体力学(CFD)数值模拟技术,建立飞翼布局无人机(UAV)堵锥整流模型和动力影响模型,其中动力影响模型是根据发动机不同的工作状态,在进气道以及尾喷管截面上设置不同的边界条件,对比分析这两种计算模型在流场特征和气动特性上的差异性,揭示内在的影响机理.进排气效应的研究有助于飞机/发动机的一体化气动综合设计.

飞翼布局无人机滑跑纠偏控制

针对滑跑纠偏控制律对良好鲁棒性的要求,以及飞翼布局无人机地面滑跑六自由度模型非线性、多变量的特点,提出了基于自抗扰控制理论的无人机非线性滑跑纠偏控制律;由于采用了前轮转向、阻力方向舵和主轮差动刹车联合纠偏,针对控制执行机构纠偏效率在滑跑过程中变化较大,以及阻力方向舵和刹车机构兼具减速和纠偏功能的特点,提出采用加权伪逆法对偏航力矩及阻力控制指令进行动态控制分配。结果表明,自抗扰滑跑纠偏控制律能够能有效观测并补偿跑道环境影响造成的强烈干扰及侧风干扰,加权伪逆法能够对偏航力矩和阻力指令进行动态分配,并使各执行机构使用量处于正常范围以内。

飞翼布局飞行器等离子体激励滚转操控试验

飞翼布局飞行器采用多个气动舵面共同作用来控制飞行,常规气动舵面的结构复杂,在大迎角时由于流动分离,舵面操纵效率显著降低。等离子体激励器具有结构简单、重量轻和响应快等优势,常被用在流动控制上。本文利用激励器抑制单侧翼面流动分离产生不对称的气动力,对飞翼布局飞行器滚转通道的控制进行了试验研究,得出了激励器在飞行器上的最优布置位置和最佳控制参数,并和常规副翼舵面滚转操控效果进行了对比。结果表明:布置于内翼、中翼前缘的等离子体激励器能够获得最佳的滚转控制效果;激励器调制频率对飞行器滚转控制效果的影响较大,而激励电压对滚转控制效果的影响较小;与常规副翼相比,等离子体激励器在大迎角时对滚转通道的操控效果优于副翼。

全动翼尖对无尾飞翼布局飞机气动特性影响的实验研究

通过风洞实验对无尾飞翼布局飞机的本体气动特性和全动翼尖的操纵效能进行了研究。结果表明,此布局飞机是纵向静稳定的,但零升俯仰力矩系数为负值,这对飞机的起降不利。全动翼尖作动时将增加飞机的阻力,降低全机的最大升阻比,产生抬头力矩。全动翼尖单侧作动可在升力基本保持不变的条件下提供偏航力矩,但同时也伴随着较大的滚转力矩和俯仰力矩。此外,全动翼尖的单侧作动和侧力是弱耦合的。全动翼尖同步作动的纵向特性和单侧作动规律相似,但幅度相对要大。

利用螺旋桨动力配平的飞翼布局无人机

静稳定的固定翼飞机纵向稳定性与飞行性能对飞机布局的要求往往相矛盾,这个矛盾对飞翼布局飞机的影响尤其显著,这导致飞翼布局的飞行性能一定程度上被降低。针对这个问题,提出了采用螺旋桨动力参与纵向配平的飞翼布局无人机。提出的飞翼布局无人机使用正弯度翼型改善升阻特性,利用外洗和螺旋桨动力实现无人机纵向配平。利用CMARC面元法和粘性阻力修正进行气动力计算和稳定性分析,在失速范围内,其计算结果与风洞实验结果吻合较好。研究了动力系统螺旋桨和电机的匹配,同时考虑到不同任务段功率需求不同,建立了动力系统效率计算模型并融入到总体设计中。基于遗传算法对有无动力配平的飞翼布局无人机总体参数进行了优化,优化结果表明:采用螺旋桨动力配平可以部分地替代升降副翼进行纵向配平,一方面提升了无人机最大可用升力系数,增大了无人机翼载荷,在保持翼展固定的条件下增大了无人机展弦比,另一方面减小采用正弯度翼型飞翼布局无人机的后掠角和外洗,改善无人机展向升力分布,二者共同作用下提高无人机升阻比,提升了无人机的航时。最后探讨了总体参数对螺旋桨动力配平布局无人机性能的影响,为此类无人机设计提供了一定的指导意义。

飞翼布局无人机二阶滑模姿态跟踪鲁棒控制

针对飞翼布局无人机受扰姿态控制问题,提出一种二阶滑模姿态跟踪鲁棒控制方案。基于时标分离特性,将飞翼布局无人机姿态控制系统分为内外回路进行设计。外回路采用自适应二阶终端滑模控制器,利用自适应算法调节切换增益抑制复合干扰对系统性能的影响,同时二阶终端滑模将不连续的符号函数加在控制量的导数上,通过积分得到连续的滑模控制律,从而有效地消除了常规滑模控制器的抖振。内回路采用基于自适应super twisting滑模观测器的积分滑模控制器,设计自适应super twisting滑模观测器以实现对内回路复合干扰的估计和补偿。最后通过控制分配环节将控制力矩分配到舵面上,仿真结果验证了所提方案的有效性。

基于纵向直接力控制的飞翼布局无人机紊流减缓

飞翼布局无人机在大气紊流中飞行会受到较大的紊流载荷,而受限于自身构型和舵面配置,无法采用传统控制方案进行紊流载荷减缓。分析了飞翼布局无人机的舵面气动特性,提出一种多组舵面配合产生纵向直接控制力的垂直紊流减缓方案,并采用自抗扰控制技术设计了非线性控制器,在线估计系统误差和紊流扰动,并进行补偿控制。仿真结果表明:飞翼布局无人机采用直接力控制方案,并加入该非线性控制器后,能显著减缓在大气紊流中飞行中的法向过载,同时保证姿态和航迹稳定。

小展弦比飞翼布局新型嵌入面航向控制特性研究

在小展弦比飞翼布局机翼外侧上/下表面分别设计了一组中等后掠角嵌入面,并对其跨声速时的航向控制效果及其流动机理进行了风洞试验和数值模拟研究。计算和试验结果表明,上嵌入面可在小迎角范围通过轴向力和侧向力的共同作用提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;当α>6°时,由于嵌入面逐渐处于前缘涡的影响范围内,在前缘涡的吸力作用下,嵌入面航向控制效果迅速下降,直至失效,且进行航向控制时存在不利的滚转耦合;下嵌入面可在全迎角范围内提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;通过在小迎角范围内使用上嵌入面,α>6°时使用下嵌入面,不仅可在全迎角实现航向控制,且不影响飞机的隐身性能。