旋翼/机翼气动干扰对复合式直升机性能影响

为研究旋翼/机翼气动干扰对双螺旋桨推进复合式直升机的高速飞行性能的影响,建立一种可快速预测复合式直升机飞行性能的模型,以加装机翼和螺旋桨的AS365N“海豚”直升机为样例,分析了400 km/h高速飞行时,旋翼/机翼气动干扰对全机飞行性能的影响及机理,并探讨了用副翼操纵配平气动干扰引起的机翼滚转力矩时,全机功率的变化规律。研究表明:气动干扰增加了机翼的诱导速度,导致机翼的升力系数降低、阻力系数增加。在旋翼不对称涡系的作用下,位于旋翼前行侧下机翼的诱导速度和升阻力系数变化比后行侧的更显著。气动干扰导致机翼升力分配从80.00%降低至71.59%,旋翼升力分配从20.04%增加至28.48%。旋翼、螺旋桨和全机功率分别增加了16.60%、1.86%和3.76%。气动干扰使机翼滚转力矩增加、旋翼滚转力矩减小,利于全机配平,但会增加全机功率。用副翼操纵来平衡由气动干扰引起的机翼滚转力矩时,旋翼侧向周期变距和阻力减小,降低了全机功率。

倾转四旋翼飞行器直升机模式操稳特性分析

针对倾转旋翼飞行器直升机模式下的操纵性和稳定性进行了研究分析,为后续控制系统的设计提供一定的理论依据。在考虑旋翼-机翼干扰的情况下建立了倾转四旋翼飞行器飞行动力学模型并结合试验数据进行验证。提出了一种适用于直升机模式下的操纵策略并对飞行器进行了配平计算。以该操纵策略为基础,计算了相应的操纵功效和操纵耦合,并分析了主要稳定性导数和特征根的变化。结果表明:航向操纵功效相较于其他通道较小;垂向输入引起的纵向力和俯仰力矩的大小随速度的增加不断增大;横向输入下引起的偏航力矩随速度增大而增大;速度稳定性随速度的增加而变得不稳定;除螺旋模态外,其他模态随速度的增加稳定性增强。

基于深度学习的直升机旋翼翼型流场预测

本文提出了一种基于深度学习的直升机旋翼翼型流场预测方法。首先,采用计算流体力学(CFD)方法对样本集内的NACA系列翼型在不同马赫数和迎角状态下的流场进行预测,建立旋翼翼型流场数据库;然后,基于数据库训练卷积神经网络,建立旋翼翼型流场预测的人工智能方法;最后,针对测试集内翼型在不同马赫数和迎角状态下的流场进行预测,并与CFD计算结果对比。结果表明,深度学习方法可以有效地预测不同状态下旋翼翼型的流场特征,快速获取翼型流场数据,大幅减少了人为操作与CFD计算代价,在保证翼型流场预测精度的同时有效地提高了计算效率。

重型直升机飞行动力学刚弹耦合建模及空中共振稳定性分析

针对重型直升机(HLH)大重量、低转速的固有特性,提出了一种适用于重型直升机的飞行动力学刚弹耦合建模方法。该方法结合传统直升机飞行动力学与旋翼机体耦合动力学,将传统飞行力学的分析频段拓展到了5 Hz,额外考虑了桨叶和机体的弹性变形,基于阻抗匹配法推导出了显式的旋翼/机体耦合动力学方程,模拟了真实飞行状态下的直升机气弹耦合特性,利用该模型计算并分析了算例重型直升机的悬停飞行特性和空中共振稳定性。结果表明:旋翼机体耦合导致摆振前进型和机体弹性模态的阻尼-转速曲线先相互靠近至同一点再分离,可能引起直升机的高频瞬态振动;在摆振等效阻尼不足时,旋翼摆振后退型是不稳定的,但随着等效阻尼增加,摆振二阶周期型模态和机体弹性模态会出现耦合;桨叶弹性变形与机体弯曲模态及挥舞集合型耦合,但不会引起明显的不稳定现象。

倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊分析方法

针对倾转四旋翼(QTR)飞行器过渡飞行中的变速、变体特点,提出了一种确定倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊的方法,该方法从飞行力学角度用机翼升力特性限制低速和高速边界,以单旋翼可用功率限制高速边界。所提方法确定了无周期变距的倾转四旋翼飞行器样机倾转过渡走廊,并分析了其在倾转过渡飞行中不同机体迎角下各气动部件的气动力以及前后旋翼需用功率随飞行速度的变化规律。结果表明:倾转四旋翼飞行器在小机体迎角下倾转优于在大机体迎角下倾转;各气动部件提供的垂向力占比会随着机体迎角的改变而变化;机翼升力特性高速边界和单旋翼功率限制边界共同组成了倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊的高速边界;单旋翼可用功率限制边界比总可用功率限制边界更严格。

基于增益调度与光滑切换的倾转旋翼机最优控制

针对倾转旋翼机转换机动中变动力学特性导致的复杂控制问题,提出基于增益调度(GS)的线性二次最优控制与光滑切换控制结合的综合体系结构,用以实现转换机动过程中的全局最优控制。该控制综合方法,在保证性能指标要求最小的同时,对操纵机构的负荷较低。首先,建立了倾转旋翼机高置信度飞行动力学模型,并应用混合操纵克服操纵冗余问题。其次,设计了基于增益调度的线性二次最优多环控制器,并采用光滑切换控制策略综合2套控制器,实现动态倾转过程的姿态平滑过渡。最后,进行以倾转走廊中间路径为期望轨迹的全模式自主飞行仿真。仿真结果表明:控制系统在转换机动过程中体现出强鲁棒性和较优的系统性能。

基于间断伽辽金法的悬停状态旋翼涡流场低耗散数值模拟

建立间断伽辽金方法并将其应用于直升机旋翼桨尖涡演化和气动特性的精确模拟。首先,选取旋转参考坐标系下的雷诺平均N-S方程作为控制方程,采用嵌套网格方法对旋翼流场进行模拟,在桨叶网格和背景网格上分别采用有限体积法和间断伽辽金法。此外,空间离散采用高分辨率、低耗散的Harten-Lax-Van Leer contact(HLLC)格式,时间离散采用显式三阶龙格-库塔格式。然后,采用所建立的CFD方法对C-T旋翼的气动特性和桨尖涡演化进行了数值模拟,计算结果与试验数据吻合较好,很好地验证了间断伽辽金方法的准确性,展示了其相较于有限体积方法在捕捉桨尖涡细节方面的优势。最后,对比分析了在不同桨尖马赫数和旋翼总距下旋翼桨尖涡的演化规律。

常规旋翼构型复合式高速直升机发展概况及关键技术

对常规旋翼构型复合式高速直升机的发展概况及关键技术进行了综述。首先,结合常规旋翼构型复合式高速直升机的布局型式及操纵方式,介绍了该构型复合式直升机的一般概念。然后,根据常规旋翼构型复合式高速直升机的前飞动力结构特点,将其分为三种类型,并分别对不同类型复合式直升机的布局型式及其发展概况进行了梳理。在此基础上,针对目前该构型高速直升机所面临的问题,总结了该构型直升机的总体布局设计与优化、过渡模态操纵分配设计等关键技术。最后,结合国内外高速直升机的发展趋势,以及该构型高速直升机的特点,分析了常规旋翼构型复合式高速直升机的发展前景,并对其在我国的发展提出了初步建议。

吊挂飞行对重型直升机空中共振稳定性的影响机理分析

飞行员驾驶重型直升机完成飞行任务时,可能出现与机体弹性变形有关的空中共振问题,且在吊挂飞行时会加剧,因此通过刚弹耦合建模与分析指出了重型直升机吊挂飞行时可能导致空中共振的3个耦合模态:旋翼摆振前进型-机体垂向弯曲耦合模态;旋翼-机体-吊索耦合模态;摆振后退型-机体滚转耦合模态。研究了这3个耦合模态对重型直升机空中共振稳定性的影响机理。分析结果表明:第1个耦合模态在重载吊挂悬停时最容易导致空中共振,而第2个耦合模态在轻载吊挂飞行时对空中共振稳定性影响最大,它们都会涉及旋翼摆振运动与机体垂向弯曲变形的耦合,但第2种会出现明显的吊索伸缩运动;第3个耦合模态会导致空中共振稳定裕度在重载吊挂时降低18%。

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。

基于声学黑洞效应的直升机驾驶舱宽带降噪

声学黑洞(ABH)效应是利用结构阻抗的变化,使结构中传播的波相速度和群速度发生变化,在结构局部区域实现波的聚集,进而通过少量阻尼将能量耗损。该方法具有高效、轻质、宽频等优点,为结构振动噪声控制提供了新的思路,具有较强的潜能和应用前景。本文针对直升机驾驶舱复杂的噪声问题,根据噪声源和传递路径,提出基于ABH效应的内嵌式和附加式2种减振降噪设计方案。利用有限元软件建立了结构声振耦合模型,分析了直升机驾驶舱模型的声振特性,解释了ABH效应有助于降低舱室噪声的机理,并搭建了实验平台,开展了效果测试和性能评估。结果表明,内嵌式ABH结构可以有效降低舱内的中高频噪声,而低频控制能力略显不足。附加式ABH结构可以弥补这一局限性,拓宽有效频带。结合内嵌式和附加式ABH 2种控制方案,相比传统结构在总质量不增加甚至略有降低的前提下,舱室平均噪声水平在1/3倍频程内降低3~10dB。该研究成果有助于推进ABH新技术在未来直升机工程减振降噪中的应用。

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件,但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响,因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性,采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模,并采用粒子群算法(PSO)辨识模型参数,与实际测量迟滞曲线进行了对比,在10~60Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于BoucWen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略,实验结果显示该控制策略能够在10~60Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型,并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真,仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能,而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。

基于双螺旋桨推进的复合式直升机飞行性能

为研究螺旋桨和机翼对双螺旋桨推进构型复合式直升机的飞行性能影响,在已有的直升机飞行性能模型基础上耦合螺旋桨和机翼气动模型,建立了该型复合式直升机配平模型。以X-3构型直升机为样例,通过加装螺旋桨和机翼组成不同的配置,给出了直升机各操纵量和姿态角的变化,并通过控制气动部件为复合式直升机提供推力和升力的不同配比,分析直升机的需用功率和升阻比变化。结果表明:机翼对复合式直升机升阻比的提升较为明显,且能有效减小总距和横向周期变距;前飞速度大于一定速度后,螺旋桨对复合式直升机需用功率的降低和对升阻比的提高才开始显现;同时配置螺旋桨和机翼,并合理分配推力和升力,可有效降低整机的需用功率,进而提升复合式直升机飞行性能。

基于WENO-分段线性格式的直升机流场数值模拟

发展了一套适合于格心格式求解器的基于加权本质无振荡(WENO)-分段线性格式的旋翼/机身气动干扰高精度CFD计算方法。应用该方法对多种旋翼/机身组合模型前飞算例进行了数值模拟,计算得到的机身表面压力系数分布与实验结果吻合良好,说明了该方法对旋翼/机身气动干扰研究的有效性。之后进一步将该方法应用到悬停状态的X3构型复合式高速直升机旋翼/机翼/螺旋桨组合模型的复杂流场模拟中,并与悬停状态孤立旋翼和旋翼/机翼组合模型的流场进行了对比。研究发现:机翼对旋翼下洗流起阻滞作用,引起机翼下方不规则流动,且螺旋桨滑流与旋翼下洗流会相互干扰产生一定的偏折,旋翼下洗流速度更大,螺旋桨滑流会产生明显的向下偏折。

直升机抛放吊挂后的最优操纵与分析

为了研究吊挂抛放后回到稳定状态的合理操纵方式以增加安全性且辅助控制律设计,开发并验证了直升机带吊挂模型,使用轨迹优化方法得到了直升机抛放吊挂物后的最优操纵时间历程及相应的状态变化历程。在相同的初始条件下,计算了不同的性能指标对应的优化结果,分析并确定了性能指标的最终配置方式。研究了吊挂物质量对优化结果的影响。根据从悬停状态抛放吊挂的算例结果可得:抛放吊挂物后,驾驶员主要控制垂向和纵向通道,而横向和偏航通道所需操纵较少,且吊挂物质量越大,所需的操纵幅值越大。

低空风切变系统建模及其对直升机飞行安全威胁定性分析

系统地建立了含湍流的三维低空风切变模型,并综合分析了其对直升机飞行安全的威胁。建立了微下击暴流风场及大气湍流场组合的风切变模型,在不增加计算量的前提下,选取特征点发展直升机飞行动力学模型,有效捕捉了风切变的切变特性,提高了在风场中的动态响应计算精度。模型配备姿态保持功能的控制增稳系统已符合一般直升机的飞行状态,并改善机体响应。根据风速分布的特点,选取不同飞行速度、不同风场位置进行飞行仿真,定性地对比分析状态量变化与风场对应关系,并且以垂向通道为例,从动力学角度分析验证了响应的理论计算表达式。结果表明:湍流主要导致高频姿态角响应,风切变对飞行状态量变化占主导作用,且垂向风是引起威胁的主要因素,据此提出危险风场规避建议。

升推力装置对复合直升机飞行性能的提升

为探讨升推力装置对常规复合式直升机的飞行性能影响,建立了一种复合式直升机性能分析模型。以加装机翼和螺旋桨的UH-60A直升机为样例,探讨了机翼和螺旋桨参数、升推力分配对全机性能的影响机理。结果表明:低速时,机翼和螺旋桨效率低,加装机翼和螺旋桨会降低全机升阻比;螺旋桨转速越高或桨叶负扭越大,导致螺旋桨的型阻功率越大,升阻比降低越明显。高速时,机翼和螺旋桨效率增加,螺旋桨承担绝大部分推力、机翼承担大部分升力,并降低旋翼转速,为旋翼卸载,降低了旋翼诱导和型阻功率,显著提升了全机性能;升阻比随升推力分配分别先增加后降低。300 km/h时,100%、90%、85%和80%旋翼转速时,对升推力进行优化分配后,将基准直升机的升阻比分别提升了4.0%、21.33%、27.0%和30.6%。

Durbin法在阻尼梁动响应求解中的运用分析

运用铁木辛柯梁理论和K-V阻尼理论,研究了非比例阻尼梁在冲击载荷作用下的频域振动求解方法。推导采用了传统拉普拉斯正变换和基于Durbin公式的拉普拉斯反变换策略(统称拉普拉斯法),发展了阻尼梁系统的动力学方程解法。拉普拉斯法的推演同时涵盖了3种典型的梁边界条件,具有广泛的适用性。数值法的验证采用了特殊构造的比例阻尼点条件,并与基于模态叠加法的求解结果进行了对比分析,且数值算例充分考虑了数值参数和系统参数的影响。计算结果表明:在不同边界条件和受载状态下,拉普拉斯法与模态叠加法均能合理地计算出基本阻尼梁系统的动响应曲线,且两者的求解精度保持在同一量级;同时,捕捉到拉普拉斯法的求解精度会受到系统长细比等参数的影响。拉普拉斯法具有比传统实、复模态叠加法更易操作的特性,但其精度受到了算法固有参数和阶跃外载型式的影响,稳定性仍需进一步提高。

适于直升机飞行仿真的高原大气紊流模型

发展了一种适于直升机飞行仿真的高原大气紊流模型。首先,考虑地形地貌、大气层结、平均风速廓线的影响,给出高原大气紊流的功率谱密度模型及其统计特性参数,采用最小二乘法建立有理形式的高阶紊流成型滤波器,并采用零极点匹配法将其离散形成时域紊流速度生成算法。在此基础上,采用协方差矩阵Cholesky因子分解的线性变换法建立空间相关的大气紊流成型滤波器,采用“冻结场”假设沿飞行速度方向扩展,形成覆盖直升机各气动面的三维空间大气紊流模型。最后,将上述紊流模型集成到已有直升机飞行动力学模型并进行非线性仿真验证。结果表明,该模型能够准确捕捉高原地形地貌、大气层结、风速廓线等因素对大气紊流速度的影响;集成大气紊流的飞行动力学模型能够准确捕捉大气紊流对直升机运动的动态干扰特性。

倾转旋翼机短舱倾转策略对驾驶员操纵负荷的影响

关注XV-15倾转旋翼机从直升机模式到飞机模式转换机动中驾驶员操纵负荷和飞行器运动状态。为得到转换机动过程中的驾驶员操纵和飞行器运动状态,提出一种综合考虑多影响因素的转换机动研究方法。将转换机动构造成一恰当的非线性最优控制问题,并将转换耗时、驾驶员操纵负荷、操纵分配、需用功率和飞行姿态构成优化目标。在约束中不仅考虑动力学约束中的轨迹和操纵限制,还包含倾转走廊和飞行高度方面的安全条件。结合小波分析来评估转换机动最优解中的驾驶员操纵负荷,并讨论不同短舱倾转策略对驾驶员操纵负荷和飞行器运动状态的影响。结果表明:为缓解驾驶员操纵负荷和飞行姿态变化,在转换机动中,短舱应从悬停开始以低速率倾转,到达一定速度后调整为正常速度。提出的优化方法可辨识不同短舱倾转策略的优劣。