Hover performance estimation and validation of battery powered vertical takeoff and landing aircraft

Battery powered vertical takeoff and landing(VTOL) aircraft attracts more and more interests from public, while limited hover endurance hinders many prospective applications. Based on the weight models of battery, motor and electronic speed controller, the power consumption model of propeller and the constant power discharge model of battery, an efficient method to estimate the hover endurance of battery powered VTOL aircraft was presented. In order to understand the mechanism of performance improvement, the impacts of propulsion system parameters on hover endurance were analyzed by simulations, including the motor power density, the battery capacity, specific energy and Peukert coefficient. Ground experiment platform was established and validation experiments were carried out, the results of which showed a well agreement with the simulations. The estimation method and the analysis results could be used for optimization design and hover performance evaluation of battery powered VTOL aircraft.

垂直起降系统的互补滑模与情感神经网络控制

针对具有未知扰动的垂直起降机双闭环控制系统,提出一种基于连续径向基情感神经网络的互补积分滑模控制策略。建立了包含未知扰动项的垂直起降机的数学模型,为系统内外环分别设计滑模控制器和互补积分滑模控制器,基于对系统鲁棒性的考量,利用连续径向基情感神经网络逼近系统未知扰动项,给出神经网络权重的自适应律,形成一套新型的复合控制策略,利用Lyapunov方法分析了系统的稳定性。通过对垂直起降机的仿真实验与实物实验进行分析对比,证明了所设计的控制器具有更快的收敛速度、更高的跟踪精度和更佳的鲁棒性。

基于安全性的电动垂直起降飞行器飞控系统架构设计

飞行控制系统作为电动垂直起降(electric vertical take-off and landing,eVTOL)飞行器的关键机载系统,需要具备和民机同样的安全性。为了设计满足eVTOL飞行器需求的飞控系统架构,根据适航规章梳理了安全性要求,并基于安全性要求介绍了eVTOL飞行器飞控系统飞控计算机、传感器和作动器余度设计技术,设计了一种基于安全性考虑的eVTOL飞行器飞控系统架构;分析了eVTOL飞行器旋翼构型下的典型功能危险,并采用故障树进行了安全性分析。结果表明,设计的飞控系统架构的典型功能危险能够满足失效概率的要求。

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。

涡轴-涡扇变循环发动机方案及性能匹配设计研究

针对旋转机翼式垂直起降高速巡航飞行器,提出了一种新概念结构形式的涡轴-涡扇变循环(TSFVCE)发动机,能够分别在涡轴和涡扇两种模态工作。首先对涡轴-涡扇变循环发动机的结构及工作模式进行了介绍,并建立基于变比热的部件级性能仿真模型;然后通过循环分析,确定发动机第二涵道比为3,Flade外涵风扇压比为1.98,第一涵道比为0.11,完成发动机设计点性能方案设计;最后分析了核心机驱动风扇(CDFS)可调机构对发动机性能影响机理,得出CDFS放气阀对发动机涡扇模态下的推力与涡轴模态下的功率影响较大,对涡扇模态的推力影响最大为61.5%,对涡轴模态的功率影响最大为33.3%,可利用此特性实现发动机在涡扇和涡轴模态下推力和功率输出的匹配。

双轴承旋转喷管型面设计及数值模拟研究

针对短距/垂直起降战斗机高机动飞行的迫切需求及其矢量喷管机械结构复杂笨重的问题,提出了基于轴对称双喉道气动矢量喷管设计的双轴承旋转喷管,通过采用双轴承结构和双喉道气动矢量喷管相结合的方式,减少驱动结构,使喷管能更高效、轻便地实现短距/垂直起降,并且赋予了飞行器平飞模态高机动飞行的潜力。基于典型轴对称双喉道气动矢量喷管构型,开展了双轴承旋转喷管的型面设计和运动规律研究,利用数值模拟开展关键设计参数对喷管流场的影响研究,获得喷管的性能变化规律。结果表明,短距/垂直起降模态下,典型构型的双轴承旋转喷管推力矢量角最大可达108°,满足短距/垂直起降飞行器对喷管的要求。凹腔段的长短轴比值对喷管短距/垂直起降模态的性能影响较大,相同落压比条件下,长短轴比值越大,喷管的总推力系数越低,推力矢量角越大,并且推力矢量角最大差值达到41°。本文所提出的双轴承旋转喷管可为未来具备短距/垂直起降、高机动性能的飞行器动力系统提供一种新的解决方案。

基于鲁棒观测器的深度强化学习垂直起降运载器姿态稳定研究

针对考虑弹性振动、模型不确定干扰下的垂直起降运载器姿态稳定问题,将鲁棒观测器和深度强化学习中的近端策略优化算法相结合,研究了一种基于鲁棒观测器的近端策略优化(robust observer-based proximal policy optimization,ROB-PPO)方法。该方法设计鲁棒观测器重构受弹性振动干扰的运载器姿态信息,将鲁棒观测器与运载器动力学模型组成环境,将鲁棒观测器得到的重构姿态作为深度强化学习算法的状态,使得深度强化学习智能体与之不断交互,从而训练智能体控制运载器姿态稳定。仿真结果表明,所研究的ROB-PPO算法相较于目前常用的自适应模糊比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)算法鲁棒性更强,收敛速度更快。最后,在自主研制的垂直起降运载器上验证了所提出算法有效性。

一种仿生蜻蜓式垂直起降喷管的流动特性分析及优化设计

为提高飞行器排气系统的隐身性及机动性,提出了一种仿生蜻蜓式垂直起降喷管,并对不同模式下喷管的流动特性及流道优化进行研究。首先运用CFD方法分别对常规巡航、S形隐身以及垂直起降模式下的蜻蜓式垂直起降喷管进行流场数值仿真,探究该喷管的流动特性;然后在此基础上,分别研究喷管各舱段间相对转角对S形隐身模式及垂直起降模式下喷管气动特性的影响规律,得出相应模式下气动性能较优的蜻蜓式垂直起降喷管。研究结果表明:相同条件下,常规巡航模式下喷管气动性能较优;各舱段相对转角对喷管气动性能有较大影响,其中转角θ_(1)、θ_(2)、θ_(3)分别为-34°、12°、22°的S形隐身模式喷管以及θ_(1)、θ_(2)、θ_(3)分别为35°、30°、30°的垂直起降模式喷管的综合气动性能较优。

利用旋翼机和固定翼飞机的空气动力学理论综合估算电动垂直起降飞行器的飞行性能

根据旋翼机和固定翼飞机的气动理论开发了一个综合方法过程用于估算电动垂直起降(Electric vertical takeoff and landing, e VTOL)飞行器的飞行性能。这种飞机通常采用多旋翼垂直飞行,螺旋桨和机翼的不同组合方式实现飞行。其中,对旋翼和螺旋桨的气动性能采用传统动量理论分析和旋翼元素分析。本文利用此综合理论研究了12架e VTOL飞行器的飞行性能,包括多旋翼飞行器、矢量推进飞行器和升力巡航飞行器。计算了悬停、爬升和下降以及巡航水平飞行,不同飞行状态时驱动电机、旋翼和机身的飞行特性。据此,可以进一步确定电力推进系统的性能指标,以匹配螺旋桨或旋翼,从而满足飞行任务。

复杂网络城市空中交通生态下eVTOL运行风险演化分析

为明确城市空中交通(UAM)生态下电动垂直起降飞行器(eVTOL)风险因素间的关联性,并探究各类风险因素对风险防控的影响,采用复杂网络理论建立风险演化模型,以国内外无人机事故数据库和通用航空事故统计结果为基础,结合eVTOL在城市低空场景下的运行特点,从人-机-环角度确定35类风险因素和10类危险事件;采用Gephi软件构建网络模型,采用节点度、接近度中心性、介数中心性与网页排序(PR)算法综合评估关键节点,采用边介数评估关键边,确定关键风险传播路径;以降低系统风险为目标,提出断链减灾措施,通过网络效率指标衡量断链控制后的系统安全性。研究结果表明:UAM生态下,eVTOL风险因素关联性较强,且存在8条关键风险传播链。阻断关键人为因素、关键系统技术故障因素及关键中间危险事件3种断链方案,分别使系统安全性提高4.74%、16.21%、18.10%。

电动垂直起降飞行器发展现状及其在航空医疗救援中的应用展望

介绍了电动垂直起降飞行器的基本概念、发展历程、分类方式、特点及优势,从时间、空间、运送能力和安全性等4个维度分析了电动垂直起降飞行器在航空医疗救援中应用的可行性,指出了电动垂直起降飞行器在院前急救、院际转运和应急医疗救援等方面具有较好的应用前景。

基于产品语义学的飞行汽车外观设计

为利用外观设计手段以增强飞行汽车的功能性与精神内涵,进而提升其整体性能与用户体验。文章基于产品语义学的设计理念,首先深入分析了弓头鲸的形态、色彩及材质特征,并从中提炼出具有启发性的语义元素。其次,将这些语义元素巧妙地融入飞行汽车的外观设计中,具体体现在外观造型的构思、色彩的搭配以及材质的选择。最后,形成了一套系统且完整的设计方案。实践证明,该设计方法有效提升了飞行汽车的视觉美感、文化象征意义和飞行效率,促进了飞行汽车在功能性和美学上的全面发展,为未来飞行汽车的未来发展外观设计提供了理论依据和实践指导。

重复使用液体火箭发动机典型特征分析

针对当前用于垂直起降运载火箭的重复使用液体火箭发动机典型特征不够明确的问题,分别从垂直起降运载火箭外部要求和重复使用内在要求2个方面进行了分析,研究总结出10个典型特征,将其中的重复使用次数、起动次数、推力调节范围、推进剂过冷度增量等进行了量化,并开展了重复使用液体火箭发动机关键技术分析。后续应当基于典型特征建立重复使用液体火箭发动机标准体系,加快重复使用液体火箭发动机关键技术攻关,开展重复使用液体火箭发动机研制,促进重复使用运载火箭能力生成。

探索飞行汽车通勤新模式的城市空中交通发展分析

随着电池以及分布式推进技术的发展,具有电动垂直起降(eVTOL)能力的新型飞机设计能力将得到进一步提升.特别是汽车与航空领域的跨界渗透与融合,极大推动了飞行汽车与城市空中交通(UAM)的发展.飞行汽车与城市空中交通(UAM)有可能成为空中交通运输的变革性因素,为航空业、交通系统和城市规划带来颠覆性创新.本文主要介绍了飞行汽车的概念以及发展历程.论述了支撑城市空中交通(UAM)未来的关键支撑元素,包括载运具技术、推进技术、自治技术、通信与导航、空域管理等.同时还探讨了城市地面基础设施、社会接受度、政策因素等方面的影响,以及商业模式选择.本文结合UAM的发展与实施讨论了可能遏制该主题概念成功应用发展的主要挑战和多学科限制.

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。

倾转旋翼飞行器设计

【目的】针对目前市场上普通无人机在侦查或救援方面存在的不足,设计出一种低成本的、能垂直起降和远距离续航的倾转旋翼飞行器。【方法】通过CATIA软件设计出倾转旋翼无人机的三维模型,对无人机运动进行仿真研究。通过SOLIDWORKS对倾转旋翼机的结构受力、结构稳定性、流体力学进行分析,并优化设计原型。在Simulink中构建基于模型的设计方案,在仿真环境中分别建立直升机模式、固定翼模式及过渡飞行模式的仿真模型。【结果】根据仿真模型制作出倾转旋翼飞行器实物。实物飞行结果表明,该倾转旋翼飞行器设计合理,具备垂直起降和远距离续航能力。【结论】通过多旋翼与固定翼飞行器的有机结合,将二者的优异性能结合在一起,在侦查或救援领域具有实用价值。

功能危害性评估方法在电动垂直起降飞行器安全性分析中的应用

近年来,电动垂直起降(electric vertical takeoff and landing,简称eVTOL)飞行器在城市空运中得到快速发展。eVTOL被看作是最具发展前景的,可作为城市空中交通运输的有效运载工具。安全性分析是eVTOL飞行器运行载人过程中,减少灾难性事故以及保证高可靠性和高安全性的最重要条件。利用功能危害性评估(functional hazard assessment,简称FHA)可确定eVTOL飞行器中潜在的失效状态、预计失效状态以及其他的危险失效状态,从而能够全面找出潜在的灾难性和危险失效状态,进而有针对性地进行控制,最后能够全面降低灾难性事故的发生,以确保eVTOL飞行器的安全性。基于FHA分析,对eVTOL整机的安全性分析,并通过灾难性失效状态得出安全关键功能,为其功能设计提供依据。

国外两栖舰船与短距/垂直起降飞机的舰机适配性分析

为提升我国两栖攻击舰远程攻击能力,对国外舰机适配性进行分析。分析国外短距/垂直起降飞机(short/vertical takeoff and landing,SVTOL)的技术现状,从舰船总体设计角度开展舰机适配性分析并提出关键技术,结合美国、日本、意大利的大型两栖舰船具体分析舰载机上舰的改装工程。结果表明,该分析可为国内相关领域科研生产提供参考。

倾转旋翼飞机技术发展研究

对倾转旋翼飞机的技术基础——推力矢量技术进行了介绍,分析了倾转旋翼飞机直升机模态和固定翼飞机模态的工作特点;针对倾转旋翼飞机的概念、方案进行了论述,并提出了倾转旋翼飞机的技术规格要求;总结了倾转旋翼飞机的技术发展历程、技术方案演变及各发展阶段的特点,并展望了其应用前景。

三轴承旋转喷管矢量偏转规律及流场特性研究

基于短距/垂直起降战斗机用三轴承旋转喷管的特殊设计要求,通过几何约束条件开展了三轴承旋转喷管型面设计方法及运动规律推导与研究,研究了非线性和线性两种喷管矢量角控制规律下的三段筒体随时间的旋转规律。根据小型涡轮喷气发动机的几何尺寸,利用发展的型面设计方法和喷管筒体旋转规律,设计了小尺寸三轴承旋转喷管,并利用CFD数值模拟技术对该喷管的流场特性进行了计算与分析。通过CFD数值模拟技术得到了不同矢量角下喷管的三维流动特性及不同落压比下的气动特性。结果表明:采用喷管矢量角非线性控制规律可以减少非线性控制变量,保证喷管机动性的前提下减小了喷管的设计难度和控制复杂度;基于小型涡轮喷气发动机设计的三轴承旋转喷管0°的推力系数较理想喷管低,90°的推力系数较理想喷管高,喷管在地面最大落压比下0°比90°推力系数高约1%。