飞翼布局太阳能无人机低雷诺数反弯翼型设计

基于某手抛式小型飞翼布局太阳能无人机的应用需求,开展俯仰力矩约束下高升力、失速和缓的低雷诺数反弯翼型优化设计研究。结合特定低雷诺数下翼型算例,验证了准定常和非定常数值模拟方法求解低雷诺数转捩流动问题和大迎角失速分离流动问题的准确性和可靠性;基于CST参数化方法、MIGA优化算法、Kriging代理模型等搭建了低雷诺数反弯翼型优化设计框架;以NACA 8-H-12反弯翼型作为基准进行优化设计研究,结果表明:优化翼型在大迎角状态下的失速特性及升阻特性得到显著改善,设计结果有利于小型飞翼布局太阳能无人机的手抛式起飞及高升力长航时飞行。

三角飞翼太阳能无人机及其姿态控制设计

无人机飞翼布局形式决定了它有诸多独特的技术优势,所以世界上出现了很多先进的无人机飞翼布局形式。本次课题为了设计能适应长时间飞行且气动性能优越的飞翼布局无人机,拟将太阳能供电技术给无人机提供动力源,设计一种三角飞翼布局的太阳能无人机,并对其进行姿态控制系统设计以得到更好的设计效果。

菱形翼布局太阳能无人机螺旋桨滑流影响研究

为了探究螺旋桨滑流对低雷诺数菱形翼布局太阳能无人机气动特性的影响,采用动量源方法(MSM)与k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程对不同转速状态下菱形翼布局太阳能无人机的气动特性进行了准确模拟。并通过对比机翼表面流场结构与压力分布,分析了不同迎角下螺旋桨转速变化对菱形翼布局前后翼气动干扰的机理。研究表明:随着螺旋桨转速增大,小迎角下增升减阻效果明显,最大升阻比在3 000 r/min时提升了18.4%。在小迎角时,前翼气流受到抽吸作用,升力增加,后翼受螺旋桨旋转气流影响,前缘出现大范围吸力区,压差阻力减小。在大迎角时,前翼影响不变,后翼前缘下表面吸力区范围及强度均减弱,前缘负升力区消失,增升效果改善,压差阻力增加。由于在不同迎角时,升力增量的主要贡献部件不同,导致无人机纵向静稳定裕度随着转速的提升而增大。菱形翼布局太阳能无人机通过合理设置螺旋桨位置与转速,可有效利用螺旋桨滑流提升气动性能。

飞翼类特殊布局无人机气动力设计研究

文章针对飞翼布局无人机的气动力设计特点,结合某特殊布局方案开展翼型/机翼气动力设计研究。根据文中提出的无尾飞翼布局无人机气动力设计原则,基于CFD方法完成了相应的气动力设计任务。风洞验证试验表明,气动力设计过程所采用的CFD方法是可靠的,文中所采取的设计思路合理有效。文中设计经验表明,合理的设计思路与可靠的CFD分析工具是成功实现气动力设计任务的有力保障。

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。

串置翼太阳能无人机气动特性仿真与设计

国内外试飞成功的太阳能无人机均采用常规机翼布局。设计确定一种太阳能螺旋桨无人机总体参数,机翼采用串置翼。应用FLUENT并基于3D粘性流场计算,验证表明串置翼比单翼具有气动优势。在迎角0°和6°下,对串置翼前后翼水平及垂直相对位置60种变化组合,模拟计算组合翼型升阻特性。结果表明两翼水平距离为5倍弦长和垂直距离为0.4倍弦长下,串置翼气动性能最佳。进一步确定翼及副翼和舵参数,制作完成缩比模型并试飞。

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。

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。

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。

飞翼布局无人机反步L_2增益纵向着陆鲁棒控制

针对存在干扰的飞翼布局无人机纵向着陆控制问题,提出一种基于super twisting滑模干扰观测器与跟踪微分器的反步L_2增益鲁棒控制方案.为解决反步控制虚拟控制量求导复杂的问题,设计了跟踪微分器对虚拟控制量进行求导,同时综合采用super twisting滑模干扰观测器和L_2增益鲁棒项增强了控制系统的鲁棒性.仿真结果表明,无人机高度、空速都跟踪上控制指令,垂直接地速度在允许的范围内,与传统的PID着陆控制方案相比具有更好的着陆控制性能.

基于terminal滑模与控制分配的飞翼布局无人机姿态控制

对于风场扰动中的飞翼布局无人机,需要考虑模型参数不确定和外界干扰对姿态控制的影响,以及解决操纵面冗余、附加力效应显著、多轴操纵耦合、舵效非线性等特殊问题。采用基于扩张状态观测器的terminal滑模和多目标非线性控制分配对姿态角的跟踪控制问题进行了研究,将扩张状态观测器与基于饱和函数的terminal滑模控制器相结合,在名义滑模控制律的基础上采用扩张状态观测器实现对干扰的估计和补偿,有效提高了系统的鲁棒性和控制精度,并且充分利用冗余操纵面,根据飞行任务需求,实现对多种目标综合权衡的非线性控制分配。

飞翼布局无人机实验平台设计与实现

探索了飞翼布局无人机的设计思路,完成了2种设计方案,利用CFD方法获得了该飞机基本气动数据,建立了方案B的CATIA三维数字样机,实现了实验平台的制作、装配和测试工作,基于该实验平台开展了一系列飞行实验。CFD计算结果和试飞数据验证了设计方法的可行性,体现了实验平台的通用性及良好的工程应用前景。

带升力风扇飞翼布局无人机过渡飞行气动特性研究

带升力风扇飞翼布局无人机除了具备飞翼机的优点外,还兼具短距/垂直起降功能,研究其过渡飞行阶段的气动特性是建立其飞行动力学模型的基础。对带升力风扇飞翼布局无人机的过渡飞行阶段进行气动仿真,分析升力、阻力和力矩随速度和迎角变化的特性,并在某定常流下对该布局飞机的流动机理进行研究,针对气流分离提出控制方法。结果表明:来流速度增大时,升力值持续增大,阻力增加,低头力矩增大;在相同来流速度下,迎角增大,升力随之增加且外段翼是其升力的主要来源,阻力先减小后增大,较常规平飞状态下有较大的抬头力矩;控制气流分离的两种改进方法是有效可行的。

飞翼无人机气动布局及飞行性能计算分析

提出了一款小型无尾飞翼布局无人机,采用k-ε湍流模型、三维不可压雷诺平均N-S控制方程数值模拟了该无人机的气动特性,计算结果与风洞数据对比良好,该方法可用于无人机气动特性计算。基于CFD数据利用推力法初步研究了该无人机的平飞、起降、盘旋等性能,结果验证了该小型无人机的可行性并对后续的研究工作提供理论基础。

飞翼布局无人机地面滑跑纠偏控制系统设计与仿真

地面滑跑是轮式无人机自动起降的一个重要阶段,无人机在滑跑时的运动特性相当复杂,与空中飞行时的特性相差较大,具有很强的非线性,难以准确建模,因此有效地控制无人机实现直线滑跑是无人机自动起降中的难点。尤其对于飞翼布局无人机,由于其不具有气动效率较高的常规垂尾方向舵,只有气动效率较低的阻力方向舵,难以应用常规控制方法有效地实现滑跑纠偏控制,针对此问题提出了一种应用主辅模糊控制器相结合的多重模糊控制方法,在地面滑跑侧向控制中采用主轮差动刹车和阻力方向舵联合纠偏的控制方式,解决了飞翼布局无人机地面滑跑航迹纠偏问题。仿真结果表明,应用这种多重模糊控制方法可以很好地实现飞机的自动滑跑纠偏,使飞机在地面滑跑阶段基本实现无超调无振荡自动滑跑纠偏。

进排气系统对飞翼布局无人机升阻特性的影响研究

飞翼布局以其在气动效率、结构强度、隐身性能上的突出优势,被广泛应用于先进的无人侦察作战飞机的气动外形设计。采用自适应超椭圆方法设计了菱形进口S形进气道和二元喷管,并进行了飞翼布局无人机与进排气系统的一体化设计。通过数值计算研究了进排气系统对飞翼布局无人机升阻特性的具体影响。结果表明,在特定的迎角范围内,进排气系统的安装有利于飞翼布局无人机的增升和减阻,将会带来飞机机身表面压力分布的改变。

基于神经网络补偿动态逆的飞翼布局无人机姿态控制方法

将动态逆控制技术应用于飞翼式布局无人机的姿态控制回路,以适应飞翼布局无人机控制系统要求。介绍了动态逆控制器解耦控制原理,以及神经网络补偿结构的作用和设计方法,并基于无人机非线性姿态运动学和动力学模型设计了基于神经网络补偿的动态逆控制器。在强耦合、强非线性的飞翼布局无人机模型上,通过数学仿真验证了系统具有良好的动态性能和稳态特性,控制器具有很强的鲁棒性。

飞翼布局无人机数学建模及容错控制

随着飞翼布局无人机的广泛研究以及任务环境的日益复杂,针对于飞翼布局无人机进行容错控制逐渐成为其飞行控制的主要技术手段,论文根据建立的飞翼布局无人机数学模型,设置了舵面故障影响,给出了具有自适应性质的容错算法,并针对无人机横侧向运动进行了Matlab/Simulink仿真,实现了控制指令与响应的快速稳定,完成了对飞翼无人机的容错控制。