体积力在潜艇自航因子预报中的应用

借助于CFD软件,在螺旋桨参数未知的情况下,用均匀分布的体积力模拟螺旋桨力场,对潜艇自航因子进行了预报,并与潜艇带桨自航试验数值模拟的结果进行了对比.发现:若体积力参数仅考虑螺旋桨轴向力,则潜艇阻力的计算误差可达7％,在引入螺旋桨旋转的影响后,这一误差值可降低至2％以内,同时,推力减额分数和平均轴向伴流分数的计算误差可控制在5％以内,而潜艇快速性的预报误差可控制在2％以内.用均布体积力模拟螺旋桨力场的方法,能够有效地预报潜艇伴流和推力减额分数,为螺旋桨的设计提供可靠的输入参数,也可以用于潜艇线型优化设计和快速性预报.     

变距旋翼无人机前飞气动性能分析与研究

新型旋翼气囊复合动力无人飞行器主要原理是借助四旋翼与空气静升力提供升力;在该无人机总体设计方案的基础上,对应用变距旋翼技术进行前飞驱动时的气动性能展开分析研究。对变距旋翼模型采用标准κ-ε湍流模型、RNG模式和主导漩涡流模式;并通过数值模拟研究不同转速、桨距角在前飞状态下的气动特性。同时在地面风洞试验台对在前飞状态下模型旋翼进行了试验研究;并且试验结果与计算结果基本吻合。得出该无人机在巡航状态下,螺旋桨转速在4 000 r/min,桨距角14°具有最佳的螺旋桨效率。为新型旋翼气囊无人飞行器的整体优化以及工程应用提供了参考依据。     

垂直起降无人机涵道螺旋桨系统特性及计算方法研究

涵道风扇垂直起降无人机不同设计阶段对升力系统特性的精度要求也不同.为寻求具有一定可信度的涵道螺旋桨特性不同计算方法,在螺旋桨动量理论的基础上,通过引入轴向功率系数,建立了考虑气流旋向运动的涵道螺旋桨动量理论模型.分析了拉力比例因子等参数对升力系统总体特性的影响.在研究翼型大迎角特性的基础上,建立了以诱导速度为求解参数的涵道螺旋桨修正动量—叶素理论模型.基于非重合滑移网格技术,通过求解旋转参考坐标系下的N-S方程,进行了涵道螺旋桨非定常数值模拟.计算结果表明,基于修正后的动量-叶素理论计算结果更接近真实情况.在总体设计阶段可以提供具有一定可信度的涵道螺旋桨基本特性.数值模拟结果和试验结果较吻合,可以为详细设计阶段提供计算依据.     

有限元模拟电桥的直升机旋翼轴拉力与扭矩测量方法

为了精确地测得直升机飞行过程中旋翼轴的拉力及扭矩,通过有限元计算,模拟了现有直升机旋翼轴拉力测量中惠斯通电桥的输出,研究了旋翼轴现有测量方式中各向载荷对电桥输出的影响,分析了旋翼轴拉力、扭矩与各向载荷的耦合情况。结果表明,现有的旋翼轴拉力及扭矩测量的误差,主要来源于直升机飞行过程中俯仰力矩、滚转力矩传递到旋翼轴上的侧向弯矩的影响;通过耦合分析,给出了一种新的旋翼轴拉力及扭矩测量的组桥方式,并通过有限元模拟计算,验证了新方式的可行性。研究结果为后续直升机旋翼轴拉力及扭矩飞行测量提供了一种新的方法。     

基于神经网络的旋翼无人机空中原位风速反演

旋翼无人机空气动力学模型能够克服无人机旋翼下洗气流的影响,相比携带传感器直接测风具有一定优势。空气动力学模型利用无人机自身的姿态数据可以直接计算得到风向,但是风速的计算还需要开展大量的风洞实验以及复杂的实体建模获取相关参数。为简化流程、规避参数获取过程中存在的误差,采用BP(back propagation)神经网络替代风洞实验和实体建模,研究无人机姿态同自然风速的关系。通过确定风速影响因子,分别建立以两个欧拉角为输入和以两个欧拉角计算得到的倾角为输入的旋翼无人机空中原位风速反演模型EUL-BP(euler back propagation)和INC-BP(incline back propagation)。以无人机悬停等高度风塔上超声风速仪观测自然风速为真值,比较反演模型EUL-BP和INC-BP发现,INC-BP增强了BP神经网络寻优过程的约束,反演效果较EUL-BP更优,其均方根误差大致为0.65 m/s,相关系数为0.86左右;比较反演模型结果与无人机机载自动气象站观测结果发现,当风力条件为三级及以下时,反演风速远优于携带传感器观测的风速。     

有人/无人机协同系统的目标定位方法

针对有人/无人机协同系统,首先,根据目标精确打击的任务特点对其组成和作战流程进行讨论,并将快速精确定位作为研究的核心问题;然后,引出基于观测向量投影点的目标定位方法,根据投影点分布的不同,建立完整的优化模型,并利用ISIGHT组合优化进行最优解的快速搜索;最后,利用地面站及三架无人机组成的模拟协同系统进行飞行试验.试验结果表明:本定位方法的计算精度和效率较高,平均误差在10m以内,耗时仅为0.76 s,相比传统单点定位和多点定位法具有一定的优势.并且通过验证定位误差是由测量输入误差所致的假设.     

四旋翼无人机偏航飞行过程量化稳定性分析

有效配置四旋翼无人机的运动参数和机械结构参数,可提高飞机飞行过程中的运动稳定性,节约能耗。针对当前运动稳定性分析方法主要以定性分析为主,难以给出系统结构稳定及运动稳定方面的量化分析指标的问题,该文以四旋翼无人机为对象,在偏航飞行阶段,采用Lyapunov指数法建立四旋翼无人机控制输入、机械结构参数与系统运动稳定性之间的量化关系,并给出了参数变化与系统能量消耗的关系,为解决四旋翼无人机偏航过程中存在的失稳、续航能力差等问题提供了理论依据。与其他方法相比,该方法可构建性强,计算简单,可广泛用于其他机器人非线性系统的运动稳定性分析。     

螺旋桨滑流对机翼气动特性影响数值模拟方法研究

主要工作是螺旋桨滑流对机翼气动特性影响的非定常流体力学计算方法研究。几何模型借鉴国外某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨。用ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量非结构数值计算网格,应用多参考系和滑移网格边界条件,对模型在低速情况下进行数值模拟。分析螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,对比分析螺旋桨不同转速下滑流对机翼影响大小,计算结果表明本文采用的数值模拟方法能有效地应用于机翼在螺旋桨滑流作用下的流场求解,可以为工程应用提供重要的参考。     

考虑螺旋桨水动力的双桨船操纵运动数值模拟

针对实桨法模拟螺旋桨旋转计算效率低且双桨船尾流场复杂,而螺旋桨体积力法一般不考虑操纵运动下尾流场不均匀性对螺旋桨水动力性能影响的问题,采用RANS方法、重叠网格技术和螺旋桨体积力法,以DTMB5415M为研究对象,进行了双桨船操纵运动数值模拟研究．首先,对DTMB5415M进行了约束模试验数值模拟,以求取操纵运动下螺旋桨的水动力性能,从而建立操纵运动下的螺旋桨修正体积力模型;然后,将该螺旋桨修正体积力模型和原螺旋桨体积力模型分别用于DTMB5415M的操纵运动数值模拟．结果表明：螺旋桨修正体积力模型相比原体积力模型考虑了船尾伴流场不均匀性对真实桨侧向力和推力的影响,可以较准确快速地进行船舶操纵运动数值模拟．     

地面声学环境下的无人机螺旋桨气动噪声试验

为了研究某无人机螺旋桨在地面起飞工况下的气动噪声,研制了螺旋桨气动噪声试验平台,在地面声学环境下开展了螺旋桨的气动噪声试验,获取了螺旋桨的气动性能和远场噪声特性,分析了拉力、扭矩等气动参数和远场噪声指向性等随螺旋桨转速、桨叶角的变化规律。结果表明：拉力、扭矩等气动参数随着转速、桨叶角的增大而增大;远场噪声最大的区域随着螺旋桨转速和桨叶角的变化而移动;所建立的试验平台和方案可以为飞机螺旋桨的气动噪声评估和优化提供帮助。     

共轴刚性旋翼气动特性试验与分析

在航空工业气动院FL-52风洞开展了共轴刚性旋翼气动特性风洞试验,通过合理的操纵与配平策略,实现了共轴刚性旋翼配平,并对悬停、多种前飞状态下气动特性及升力偏置对旋翼操纵特性及性能的影响机理进行了研究。结果表明,试验取得了比较好的配平效果,桨毂力矩、合扭矩及升力偏置配平误差分别优于±2 N·m、±0.5 N·m、±0.01;悬停状态扭矩配平与非配平状态下,上旋翼效率都大于下旋翼;前飞状态升力偏置可有效提升大前进比时旋翼气动效率而小前进比时则并不明显,升力偏置的增大会使上下旋翼的桨毂滚转力矩大幅增加。     

Viper Jet无人机等离子体流动控制飞行验证

以往的地面风洞实验研究表明等离子体流动控制具有极大的实用价值。为探索等离子体流动控制应用的关键技术,开展了低速无人机等离子体流动控制飞行验证研究。首先,设计了无人机试飞实验系统和试飞方案,据此进行激励特性测试和地面风洞实验,测试了毫秒脉冲等离子体激励的放电特性,在风洞中验证了毫秒脉冲等离子体流动控制对Viper Jet无人机失速分离的控制效果。然后,进行了Viper Jet无人机等离子体流动控制飞行验证,结果表明AC-DBD激励能有效减小飞机起飞与降落滑跑距离。     

风场扰动对无人机控制/导航影响效应仿真

为了全面、定量分析风场扰动对无人机控制/导航系统的严重影响,选取某型探测/侦察无人机作为典型代表,首先利用近60余年NCEP再分析资料,针对我国及周边地域,进行了低空风场建模（包括平均风速和湍动分量）和仿真再现;在此基础上,在Matlab/Simulink仿真环境中,构建了该无人机虚拟样机,包括动力学、控制、惯性/GPS导航等关键子系统,反映了其基本飞行品质和控制响应;最后,分别在理想和风场扰动条件下,进行了该无人机典型巡航/侦察任务的飞行仿真,得到了飞行航迹/姿态、控制响应等关键参数,通过对比分析,全面、定量评估了风场扰动对惯性/GPS导航系统的影响效应。结果表明：风场扰动对于无人机惯性导航系统具有较大的影响,所产生的积累误差随时间增加逐步增大,相比而言,基于GPS的控制/导航系统具有较好的适应性和鲁棒性。     

螺旋桨式小型无人机可用功率计算研究

简要分析总结了螺旋桨式活塞发动机功率特性的相关理论及经验公式,以此为基础,研究了滑移现象和机身对螺旋桨效率的影响问题,提出了一种新的计算螺旋桨式无人机可用功率的方法。结果表明：螺旋桨式无人机若飞行高度保持一定,可用功率、螺旋桨效率与巡航速度成正比;若巡航速度保持一定,可用功率、螺旋桨效率与飞行高度成反比。     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。     

Wind disturbance rejection control based on the dynamic parameters estimation of quadrotors UAV

The turbulence or gust in quadrotor flight environment causes drastic changes in the unmanned aerial vehicle(UAV) aerodynamic parameters. Especially, rotor thrust coefficient and reaction torque coefficient of the UAV encounter uncertainty fluctuation, which may undermine the control performance. A real-time estimation strategy for these aerodynamic parameters is proposed to improve the identification on the disturbance. First, the unscented Kalman filter(UKF) algorithm is used to estimate the UAV states and aerodynamic parameters. Then, a double-loop structure, consisting of position and attitude, is designed for the trajectory tracking control. In the outer loop, a proportional-derivative controller is adopted to carry out position tracking and provide Euler angle references for the inner loop, called attitude controller. Moreover, the attitude controller is designed using an inverse dynamic technique. The main contribution of this study is to propose a joint estimation on the aerodynamic parameters with wind disturbance as well as the UAV states. This strategy plays an important role in refining time-varying parameters of wind disturbance. A number of simulations are executed to verify the effectiveness of the proposed method.     

基于视觉的四旋翼飞行器稳定飞行控制

针对室内四旋翼搭载的常规惯性测量单元采集的速度具有很大误差, 在实际飞行过程中无法定点悬停的问题, 搭建了一套基于视觉的小型室内四旋翼飞行器, 应用串级比例、积分、微分控制算法(PID: Proportion Integral Differential)控制飞行器。实验结果显示, 此方法有效解决了室内或密闭环境下四旋翼在悬停飞行过程中水平漂移的问题, 能使四旋翼飞行器在室内的环境下平稳飞行。     

基于对飞行员工效影响的旋翼螺旋桨流动及噪声分析

倾转旋翼飞机的主要噪音来源于螺旋桨,而噪声对飞行员工效具有非常大的影响。本文在分析噪音对飞行员工效影响的基础上,使用计算流体力学(CFD)方法对优化设计的旋翼螺旋桨流场进行了计算分析。通过数值计算得到了旋翼螺旋桨的拉力特性、功率特性等气动性能参数。螺旋桨的拉力系数CT、功率系数CP都随着进速比J的增大而减小,螺旋桨的推进效率随着进速比的增大,先增大后减小,在设计点附近,螺旋桨推进效率达到0.87以上。采用Lowson方法对螺旋桨的辐射噪声进行了初步分析,随着螺旋桨转速的提高,各方位总声压级指向性一致,并有所提高。     

多平行轴齿轮传动转子系统临界转速的计算

采用固定界面模态综合法对多平行轴齿轮传动转子系统临界转速的计算进行了分析，并应用MATLAB对分析过程进行了编程，结果表明使用MATLAB程序提高了计算效率。最后以某具体多平行轴齿轮传动转子系统-发电机设备为例，求出了系统前四阶临界转速，讨论了系统主要结构参数对临界转速的影响。