梯度风场滑翔仿生飞行器设计与仿真

将信天翁从梯度风场中获取能量滑翔数千英里的飞行策略应用在飞行器上是突破飞行器续航瓶颈的重要方法之一。本文结合信天翁身体特性和飞行策略,设计了一种具有信天翁仿生外形、气动布局和控制方式的仿信天翁飞行器,巡航时升阻比为梯形翼飞行器的1.13倍,最大可达梯形翼飞行器升阻比的1.31倍,通过翼尖变形阻力最高可减小12%,翼根载荷减小35%。根据信天翁在滑翔时不时扑动翅膀的行为提出了间歇动力梯度风滑翔方法,对仿信天翁飞行器进行了风梯度滑翔操控性能仿真。结果表明实际飞行路径与风梯度滑翔路径的误差小于5%,能量消耗为匀速飞行的51.5%,验证了间歇动力梯度风滑翔策略的合理性。

多旋翼植保无人飞机施药研究进展及展望

多旋翼植保无人飞机有良好的地形适应性及超低空喷雾能力,是高效植保装备的重要发展方向之一,但飞行作业条件下风场、雾滴、作物耦合机理尚不明晰,成为制约沉积分布品质提高的瓶颈。为剖析植保无人飞机施药作业各要素关联研究不足、沉积机理不够清晰等问题。以雾滴的发生、沉降、沉积及飘移全过程为主线,基于学者们的研究论述了喷嘴雾化药液、风场-雾滴交互作用以及风场-雾滴-冠层耦合作用的研究现状,分别从喷嘴雾化对施药效果的影响、旋翼植保无人飞机悬停和飞行条件下的风场分布规律、飞行施药条件下雾滴在冠层内沉积飘移分布规律几个方面展开分析。基于以上论述,梳理了国内外航空施药技术的应用背景、研究进展、经验模型。指出了当前多旋翼植保无人飞机施药过程中一些亟需解决的问题,针对喷嘴选型(液力式喷嘴、离心式喷嘴等)及工作参数(压力、转速、角度、流量等)、无人机飞行参数(飞行速度、旋翼转速等)、农药特性(密度、黏度、表面张力等)及药液雾滴群的初始参数(粒径分布、初始速度)等各因素之间的匹配对应关系尚不明晰的问题,提出了重点建立多旋翼植保无人飞机施药作业喷嘴选型决策专家系统的建议;针对飞行组合风场(旋翼下洗气流、迎风气流、自然横风),农药药液雾滴(雾化后的物性参数),作物冠层(作物典型生长周期的茎、枝、叶)、田间环境(温、湿度),作业参数(飞行速度、高度)等因素的耦合作用,提出基于施药沉积效果进行科学假设,建立组合风场-药液雾滴-作物冠层的三相耦合模型的建议。最后,对未来多旋翼植保无人飞机施药技术的发展进行了展望。

测风激光雷达对孤立雷暴引发湿下击暴流的结构分析

为了揭示中γ尺度孤立单体雷暴引发的下击暴流的风场结构及成因,采用多源数据结合的方法着重分析了激光雷达资料,对2022-06-25发生在乌鲁木齐机场跑道入口端的一次湿下击暴流进行了结构场剖析,取得了能够表征下击暴流发生发展过程的数据。结果表明,本次过程发生在西北气流控制且有明显风场辐合和冷空气堆积的背景下,中低层切变线和地面中尺度辐合线是此次过程的触发机制;两个气象雷达体扫呈现了孤立雷暴的初生-发展-成熟阶段,及回波中心下降接地引发湿下击暴流的过程;强的不稳定能量是造成此次强天气过程的关键;强降水发生前6 min不稳定能量积攒至最强,随后能量迅速释放,强下沉气伴短时强降水,触发了湿下击暴流;测风激光雷达可观测到雷暴高压始发的中心位置和反气旋特征、大风区和外流边界,明确了高压区域大小和强度变化,对强下沉气流爆发的时间和强度指征明显。这些结果为研究雷暴单体引发下击暴流的结构提供了有力支持,提高了民航精细化服务的能力。

乌鲁木齐机场一次冷锋型低空风切变过程的LiDAR分析

为了研究低空风切变风场结构,针对乌鲁木齐机场2021-11-26发生的风切变不安全事件,采用FC-Ⅲ型激光测风雷达产品数据,配合美国国家环境预报中心再分析资料和常规气象观测资料进行分析和验证,取得了风切变演变过程的数据。结果表明,该次风切变过程发生在特定的地形风作用下,冷锋前小尺度冷空气造成显著的风向风速变化,东南风急流底部与西北风风带形成倾斜向上的垂直切变区,并引发冷锋型低空风切变;风切变发生前1 h,乌鲁木齐机场周边出现了风场转换;平面位置显示模式比航空器报告提前10 min监测到风切变,为东南大风风速骤减区,且风切变区随冷空气渗透西移;冷空气渗透过程东南大风层变薄西撤;07^(#)跑道附近,正侧风迅速减小且进近过程中伴有风向的大角度转变;冷空气由25^(#)跑道向07^(#)跑道楔形渗透,渗透过程发生在08:30~10:25期间;激光雷达捕捉到该次低空小尺度冷空气活动,分析出冷空气由东北侧进入呈后倾状态的演变过程和结构,并触发了中度风切变预警。这一结果对提高气象服务保障能力是有帮助的。

梯度风场中无人机动态滑翔飞行轨迹优化

为了研究无人机在梯度风场中的滑翔飞行轨迹,提出一种基于动态滑翔的最优飞行轨迹生成方法。首先,利用梯度风场模型和NED坐标系,详细推导无人机动态滑翔运动方程;然后,利用拉道伪谱方法将动力滑翔中能量优化的连续约束转化为离散问题的一系列代数约束;最后,生成无人机动态飞行的最优轨迹。仿真中,设计了无动力飞行和有动力飞行两种仿真条件,在无动力飞行中,生成三个具有不同边界约束的最优轨迹,每个轨迹对应最小风场参数;在固定风场动力飞行中,以恒定推力的最小值生成最佳轨迹。结果表明,该方法能够生成满足能量优化要求的无人机动态飞行最优轨迹,最佳发动机推力和风场强度近似成反比。研究方法可为无人机动态滑翔飞行轨迹设计提供技术支持。

纵向阵风扰动下典型通航飞机俯仰角响应

为了研究飞机的纵向气动参数(C_(Lα)、C_(Dα)、C_(mα)、C_(mα̇)、C_(mq))以及平飞速度(Lw)、翼载荷(V0)等参数对抗风性能的影响,在满足MIL-F-8785C中规定的一级飞行品质条件下:首先,选取5种代表机型对其进行风场扰动下的动态响应仿真计算,得到了这5种飞机在阵风风场和紊流风场扰动下的航迹和姿态角响应;然后,逐个改变飞机的纵向气动参数及平飞速度、翼载荷等参数,对不同参数的抗风性能影响进行灵敏度分析;最后,分析得到,对于同一架飞机,增加升力线斜率、俯仰阻尼系数、平飞速度这3个参数的绝对值会让飞机纵向抗风性能变好,增加静稳定裕度、翼载荷这2个参数的绝对值会让飞机纵向抗风性能变差。该结论可以为飞机设计过程中就如何提高飞机的抗风性能提供参考。

风场中无动力滑翔弹可攻击区研究

基于无动力滑翔弹气动力特性与动力学模型、中/末制导律与控制系统的飞行仿真模型,以及风场模型等,在一定的释放条件下,通过不同风场(即不同风向与风速的组合),计算了大量的可攻击区。利用VC++与Matlab飞行仿真软件,较为直观地比较了无风与不同风场中的无动力滑翔弹可攻击区及相应的六自由度(6DOF)飞行轨迹。大量的数据表明风场改变了无动力滑翔弹的可攻击区的形状及大小。因此,风场是影响无动力滑翔弹命中率与可攻击区的重要因素。当计算无动力滑翔弹的可攻击区时,随机风场必须考虑,这在实战中很有参考价值和工程实用价值。

风场环境下的飞行器参数计算平台

飞行器参数计算平台是飞行器研制过程中的重要支撑技术之一。为了准确计算风场环境下的飞行器参数,研究了风场环境下飞行器参数计算平台的建立方法。分析影响飞行参数的各个分系统,建立了飞行器参数计算平台的理论框架。研究了大气风场,分析其对飞行轨迹的影响。然后,在Simulink环境下进行建模,采用C MEX S-function编程实现了复杂的飞行力学运动方程组。最后,在统一接口参数的基础上,进行子模块的封装,并且将各分系统的子模块通过参数驱动进行连接,建立飞行器参数计算平台。通过对某滑翔飞行器进行性能验证仿真实验以及对某无控飞行器进行的风场干扰仿真实验,证明了平台计算稳定,最小计算步长可达到1ms,并且可以精确地模拟风场,计算风场环境下的飞行器参数。最后将某无控飞行器仿真轨迹与外场飞行实验结果进行了对比,结果表明射程相对偏差为0.44%;最大高度相对偏差为1.8%。参照航天工业标准QJ1997-90可以证明,该平台方案建模合理可靠,满足工程应用要求。

大气环境中的亚轨道飞行器再入轨迹仿真

针对亚轨道再入飞行器的高精度轨迹仿真问题,采用了国际上最新的NRLMISISE00大气模式、HWM93水平风场建立了大气参数模拟系统,比较分析了不同模式下影响飞行器运动特性的各种大气参数的区别;利用查普曼公式建立了大气环境中亚轨道再入飞行器的运动方程;结合美国X-33演示验证实验样机,仿真分析了各种大气参数对亚轨道再入飞行器运动参数的影响。研究表明,大气环境对于再入飞行器的影响不容忽略,在实际应用中应该根据具体的任务需求来选择合理的大气模型。

基于风场信息的无人机在线航迹规划方法

风场是影响无人机飞行速度的一个重要因素。为了缩短任务执行中的飞行时间,考虑战场环境存在外界威胁情况,提出了一种利用组合导航在线估计风场信息的无人机航迹规划方法。该方法基于飞行时间为代价,利用改进的A*搜索算法对航迹进行顺风搜索,从而实现最短理想耗时的航迹规划。计算机仿真结果表明,与传统的最短航迹长度规划方法相比,无人机按该方法规划的航迹飞行时,理想耗时最少。

近舰区风场建模与着舰仿真分析

通过分析近舰区风场特点,建立了低空风场和舰尾流模型,对飞机的着舰过程进行了仿真分析。分析认为:近舰区风场影响了着舰航迹的稳定性,降低了飞机着舰的安全性和乘坐品质。为了验证模型的合理性,进行了飞行员在环的地面飞行模拟试验,分析了近舰区风场对飞机着舰过程和飞行员操纵特性的影响。试验结果表明,近舰区风场的存在显著增加了飞行员的滚转操纵负荷。

变化风场下近空间飞行器机体/发动机一体化飞行力学建模与分析

近空间飞行器飞行包络大、环境变化复杂、参数变化激烈,对其开展飞行控制技术研究工作的首要问题是对此复杂系统基本物理规律准确把握和描述,并依此建立其机理运动模型。针对机体/发动机一体化设计的近空间飞行器,系统地进行了飞行力学分析,并推导了变化风场下近空间飞行器在高超声速条件下的完整的6-自由度12-状态的动力学方程和运动学方程,体现出变化风场的影响和推力矢量的作用。随后,对其在不同条件下的开环控制特性进行了仿真研究,直观表现了系统的快时变、强耦合、强非线性和不确定性等特点。所得结果可用于未来高超声速飞行器轨迹管理、飞行控制等问题的概念设计和仿真研究。

基于动态卫星云图的机载气象雷达视觉仿真方法

针对飞行模拟器中机内航电设备显示画面仿真需求,提出一种基于动态卫星云图的大范围航空气象条件实时仿真算法,并进一步构建出基于虚拟气象数据的快速气象雷达回波显示画面的仿真方法。该方法利用二维简化纳维-斯托克斯方程及云微物理方程作为气象条件仿真核心数值计算模型,将复杂的大范围三维云场演化、风场重建和雷达波后向散射等物理过程仿真计算简化为二维图像处理问题。实际应用表明,方法可在普通PC平台上实时向飞行模拟器输出视觉逼真的机载气象雷达设备的动态显示画面。

基于无人机飞行参数的风场估算技术研究

利用无人机测量风速和风向已成为无人机应用的一项重点研究内容。基于无人机机载惯导系统、GPS系统和大气数据系统记录的飞行参数,建立飞行动力学模型,通过构建无迹卡尔曼滤波器的方法估算风速分量。与皮托-静压管测风法实测数据相比,在平飞状态下,该方法得到的风速估算结果曲线平滑,数值稳定,能够获得较准确的风速分量信息,为地面仿真及闭环试验提供较真实的风场环境参数。

大气风场和温度场星载探测光谱仪的星上定标技术

大气风场和温度场是重要的大气基本参数,由于应用领域广泛,其探测技术在很多国家已发展成熟,中国对该探测技术的需求也日趋强烈。大气风场和温度场测量是利用高精度的光谱仪,通过测量大气中特征谱线的多普勒频移和展宽,来确定大气的温度分布场和风向风速场。星上定标技术是大气风场和温度场星载探测光谱仪进行高精度测量的基本保障。文中就几种重要的大气风场和温度场探测光谱仪的星上定标技术进行分析和总结,为大气风场和温度场探测技术发展提供参考,打下基础。

小型固定翼无人机多步长在线风场估计

基于小型固定翼无人机飞行运动位置矢量关系，提出了一种多步长推算的风场估计方法，并通过飞行试验数据定量分析了步长数对估计精度的影响。该方法利用无人机飞行位置信息得到基于GPS／DR的风矢量场估计模型，接着通过飞行试验得到无人机在4种不同运动模态下飞行时，此风场估计方法获取风信息的步长数的最佳阈值。仿真结果表明，无人机以120-150m／s飞行速度回旋飞行、飞行数据采样步长取为1s的情况下，步长数不大于5h的多步长风场估计方法可以最准确地估计出风信息，其测量风速误差不超过10％。

飞机在变化风场中三维运动的数值仿真

本文在引入和定义了必要的坐标系和Euler角以后,推导了计及任意变化风场的飞机一般运动方程.所得的两组运动方程均适宜于在大气紊流和风切变中飞机三维飞行运动的数值仿真。还讨论了风梯度的气动力效应。

加装风帆对VLCC直升机甲板气流场的影响

船舶加装翼型风帆在显著降低主机功率、节省燃油消耗和减少温室气体排放的同时,也改变了船上直升机甲板上方的气流场,因此,非常有必要开展加装风帆对船舶直升机甲板气流场的影响评估。采用风洞中的热线风速仪测量技术,以30万吨级超大型油船(VLCC)为对象,计及风向角、垂向高度等影响因素,定量评估加装风帆对船舶直升机甲板气流场的影响;在此基础上,根据CAP437标准推荐的判定准则,获得VLCC有、无风帆的直升机飞行包络线。研究结果可为加装风帆的VLCC直升机安全起降作业提供帮助,也可为后续加装风帆的船型甲板布局设计提供参考。

舰船空气艉流场试验及仿真技术研究

开展了SFS2标准舰船模型空气艉流场风洞试验及CFD仿真计算工作,对比分析了国内外试验及仿真结果,给出了飞行甲板上流场的基本分布规律。结果表明,气流吹过舰体及机库后在飞行甲板上形成了复杂的涡流区,对舰载直升机的飞行安全有直接的影响。

台风浪对掠海飞行器击水概率的影响

利用CCMP风场驱动目前国际先进的第3代海浪模式WW3,对发生在中国海的台风浪进行数值模拟,在国内首次利用来自日本、韩国的海浪观测资料,对模拟数据的有效性进行检验,并分析台风浪对掠海飞行器击水概率的影响,为提高导弹等掠海飞行器的生存和突防能力提供参考。研究发现:(1)模拟的海浪数据与观测数据具有较好的一致性,WW3模式较好地刻画了发生在中国近海的台风浪过程;(2)击水概率的大小因飞行高度呈现较大差异;(3)通过对3个转向型台风的分析发现,台风西行时,击水概率的大值区主要分布于第1、第4象限,北上时,击水概率的大值区主要分布于第1、第2象限,东北行时,击水概率的大值区主要分布于第1象限;(4)台风西行、北上时,台风中心位于击水概率大值区的南部,东北行时,台风中心位于击水概率大值区的西部。