海军倾转旋翼无人机技术和发展优势综述

倾转旋翼无人机是一种介于无人直升机和固定翼无人机的新型无人机。它一方面具有垂直起降能力;另一方面还可以作高速巡航飞行,是未来无人机发展的趋势之一。简要地介绍了＂鹰眼＂无人机的发展历程和技术特点,综合分析了倾转旋翼无人机的关键技术。在此基础上,对海军倾转旋翼无人机的发展优势和应用前景进行了展望。     

基于系统辨识的垂直/短距飞机垂直起降过程升力损失建模

采用系统辨识的方法对垂直/短距飞机垂直起降过程中的升力损失问题进行建模和计算.与传统的机理建模结合经验公式估计升力损失的建模方法相比,该方法解决了复杂结构垂直/短距飞机机理模型参数选取困难和落压比随喷射气流变化的问题,提高了模型可信度与适用性.完整的辨识系统由六分量天平、应变力传感器阵列、飞控系统和地面站组成,根据系统的输入输出辨识垂直起降过程升力损失模型.     

倾转旋翼飞机直升机模态短舱倾转飞行控制

为了研究倾转旋翼飞机短舱倾转过程中的飞行控制问题,提出了一种基于线性规划的动态逆方法,以实现直升机模态下短舱小角度倾转时的姿态和速度控制。建立了倾转旋翼飞机简化的纵向非线性模型,以短舱角、旋翼纵向周期变距和总距作为控制输入,使用基于线性规划控制分配的动态逆方法设计了控制器。仿真结果表明:飞机在执行姿态或速度指令时,在无输入饱和和输入速率饱和的情况下能以最快速度完成倾转。该方法能完成要求的控制任务,闭环系统稳定,稳态性能好,有一定的鲁棒性。     

倾转旋翼-机翼气动干扰准定常多重参考系仿真和风洞试验

倾转过渡状态下气动力的急剧变化是导致倾转旋翼飞行器姿不稳定重要原因。采用风洞试验和数值仿真方法研究前飞状态和倾转过渡状态倾转旋翼对机翼的气动干扰。首先,分别计算了悬停状态标模和前飞状态8038旋翼的拉力,数值仿真结果与试验结果符合良好。然后,针对倾转旋翼-机翼气动干扰建立了计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值仿真模型和搭建了风洞试验平台。结果表明：前飞状态随着前进比的增大机翼气动力系数降低且趋于与单机翼气动特性一致。倾转过渡状态,当旋翼倾角小于75°,随着前进比的增大机翼升力系数由负值逐渐增大。倾转角对机翼气动特性的影响随前进比的增大而降低。分析了倾转旋翼-机翼在升力方向和前飞方向上的气动力,研究结果对进一步完善倾转旋翼飞机设计及试飞试验成功提供了参考。     

倾转旋翼机直升机状态前飞时系统稳定性判定的一种方法

本文建立了倾转旋翼飞机直升机模式的非线性气弹分析模型,采用数值分析方法——纽马克法和牛顿—拉斐逊迭代法相结合的方法计算出倾转旋翼飞机直升机状态前飞时系统对初始条件的响应,通过考察系统从初始时刻到任意时刻之间的响应过程,判断系统的稳定性。     

飞机起飞性能算法

根据两点起飞和三点起飞不同的飞行原理和运动特点,分别建立两种不同起飞方式下的数学仿真模型。重点结合飞机的气动特性和起落架系统特性,依据全机总体设计参数进行仿真计算,给出不同起飞方式下的性能数据。以某型飞机为例,编写起飞性能程序,计算两种不同起飞方式下飞机的起飞性能。最后分析了2种不同的起飞方式对飞机各起飞阶段下的距离和速度等性能数据的影响,结合飞机实际飞行,验证仿真模型的准确性,并给出较优的起飞方式,用于指导部队飞行。     

倾转翼无人机返航过渡段气动分析与优化

倾转翼无人机是兼有固定翼飞机和直升机优点的一种新型旋翼无人飞行器,但其过渡段的气动特性存在非线性、强耦合的特点。基于动量源方法建立了倾转翼无人机返航过渡段的数值模拟方法,经单独旋翼和Georgia-Tech模型算例验证动量源方法的准确性后,结合滑移网格技术模拟倾转翼无人机返航段并进行气动分析,通过调整旋翼转速、倾转角速度,使其定高倾转完成的时间从9.20s缩短为4.46s,在此基础上通过MATLAB不同函数拟合曲线编写入动量源,对比得到返航段走廊曲线。计算结果表明利用拟合曲线可以使其更平稳地定高倾转,使倾转翼无人机的返航过渡段受力曲线更加光滑,该方法得到的结果为控制倾转翼无人机返航过渡段的稳定性提供了理论依据。     

高科技旋翼飞机

美国德州的卡特飞机公司研制成功一种能像直升机一样垂直升、降并能进行低速飞行的新型飞机——旋翼式飞机。该机除具备了直升机的优点外,还同时具备了现有飞机的高速、高效、长行程、高纬度等各种优点。这种高科技旋翼飞机堪称是直升机和固定机翼飞机有机结合的产物,将有别于现有的飞机,其垂直起飞高度可达30m,飞行高度13700m,时速645km/h。因可实现垂直降落,无需常规跑道,最初设计可载5人,改进后可乘坐35人。     

变掠翼轰炸机起飞重量估算方法研究

起飞重量的估算是飞机设计的第一步,只有确定了飞机的起飞重量,才能进行后续的总体设计,即确定飞机的基本尺寸及布局形式。该文通过统计学的数学方法,介绍了一种新型轰炸机在概念设计阶段起飞总重估算的思路,提出了该类飞机起飞重量的组成,特别是按照这种处理问题的思路提供了飞机起飞总重估算所用到的一个公式及推导过程。该公式的推导是基于第三代/第四代轰炸机起飞总重估算建立的,适用于该类飞机在概念设计阶段初始起飞总重的估算。     

V/STOL飞机建模与仿真分析

以原理验证机为背景,建立了无尾布局垂直/短距起降飞行器的数学模型,并通过智能自适应方法对其进行了闭环飞行控制,控制量通过控制分配合理的协调各操纵面,最后在MATLAB7.0/Simulink环境下通过数值仿真进行了验证。结果显示,该平台具备垂直/短距起降能力和较好的飞行性能。     

基于航道3段越障的民用运输机障碍物限制起飞重量计算模型

为研究障碍物对民用运输机最大起飞重量的影响,根据飞机在空中的受力特点及CCAR25-R4的要求,建立了基于航道3段越障的障碍物限制起飞重量的计算模型。模型根据飞机的空中运动方程推导出飞机总航迹和净航迹,再由净航迹的垂直高度与障碍物的高度之间的关系判断飞机是否可以安全越障。计算分析了计算步长、障碍物高度、顺逆风对最大起飞重量的影响。结果表明：改平高度与实际情况相符,障碍物限重规律与根据飞行手册得出的结论一致,计算结果合理;计算步长取1s能够获得较好的计算精度和时间效率;障碍物限重、改平点和改平高度均与障碍物的高度和位置有关;顺风或逆风对障碍物限重的影响为线性关系,同样的风速大小,顺风使起飞重量的减小量大于逆风使起飞重量的增加量;计算模型可为研究障碍物限重提供理论参考。     

基于条带状模型的航空器巡航阶段尾流风险区计算

为缩短巡航阶段尾流间隔与垂直间隔，提高空域利用率，首先建立尾流运动模型与尾流耗散模型，使用条带状模型计算后机遭遇前机尾流的气动力矩，以滚转力矩系数极限值作为衡量尾流风险的指标，计算不同机型、不同高度层以及不同起飞重量下的尾流危险区域，并对其影响范围进行分析。最后结合危险区与后机航道的重叠范围确定最小尾流安全间隔。结果表明：与近地阶段相比，巡航阶段尾流初始环量大，耗散速度快。高度层增高会使尾流下沉加快，尾流危险区与垂直间隔增大，水平间隔减小；飞机重量增大会使尾流危险区与垂直间隔变大，水平间隔减小；超重型机的危险区远大于重型机与一般重型机。中型机与不同重型机的水平间隔可缩减38%-57%，垂直间隔至少可缩减至100m。研究结果为制定巡航阶段尾流安全间隔标准具有实际参考价值。     

军用机场飞机中断起飞决断速度计算方法

对飞机在军用机场起飞滑跑过程中出现一发停车的中断起飞决断速度的计算方法进行了研究.提出用迭代搜索算法计算中断起飞决断速度,编制了一发停车中断起飞决断速度计算程序.对某型军用飞机在2种不同条件下的中断起飞决断速度进行计算,并与试飞结果进行比较,计算的中断起飞决断速度分别为71.8 m/s、76.6 m/s,相应的试飞结果为73 m/s、78 m/s,计算值与试飞值的相对误差分别为1.6%、1.8%.结果表明,迭代搜索法是计算中断起飞决断速度的准确有效算法.     

基于计算流体动力学的发动机喷流影响下后侧飞机受力分析

实施运行起飞点后侧穿越跑道方式的关键是确定两机安全间隔，后机受到前机发动机喷流作用则是安全间隔的重要影响因素。基于起飞点后侧穿越跑道方式，采用CFD数值模拟方法对一定距离下前机发动机喷流直接作用于后机的场景进行研究。根据数值模拟结果，后机整体压力值最大范围分布在迎喷流一侧的垂直尾翼、水平尾翼表面和机身尾部。后机表面沿喷流方向上的受力为18404.1N，结合其抗侧偏能力分析，认为基于最大安全裕度，为保证后机（空重）在前机发动机喷流作用下，还能保持在滑行道中线上运行，应在487m的基础上再适当增加间隔。     

军用飞机继续起飞决断速度计算方法

对具有多台发动机的飞机在起飞滑跑过程中一发停车的处置方式进行了研究。提出用继续起飞决断速度和中断起飞决断速度两个决断速度处置一发停车。给出用迭代搜索法计算继续起飞决断速度的算法,编写了军用飞机继续起飞决断速度计算程序。用所编软件对某型飞机在4种不同条件下的继续起飞决断速度进行了计算,结果表明,迭代搜索法是计算继续起飞决断速度的有效算法。     

高原机场飞机减载使用分析

高原气候环境特殊,空气稀薄,飞机在高原机场运行时,起降性能受气温气压影响显著,飞机载重受到限制.基于高原机场飞机起飞着陆性能的分析,提出飞机减载的判定准则和分析方法,分别研究了轮胎速度、跑道长度、刹车能量和道面承载能力等因素对飞机起降质量的限制.根据运动学理论分析起飞离地、着陆接地平衡状态,得到离地速度与起飞质量、接地速度与着陆质量的关系,计算轮胎速度限制的最大起飞着陆质量;分析高原机场跑道长度计算理论,利用解析积分法计算跑道长度限制的飞机最大起飞着陆质量;将刹车能量对飞机起飞着陆质量的限制转化为决断速度对飞机起飞着陆质量的限制,通过决断速度计算飞机的最大起飞质量;采用ACN-PCN(aircraft classification number-pavement classification number)评价法,确定飞机的最大起飞着陆质量.以某高原机场为例计算某型飞机的最大起飞质量和最大着陆质量,给出了具体的减载方案.研究表明,对于正常起飞和正常着陆,轮胎速度对最大起飞质量和最大着陆质量影响最敏感;对于一发失效,刹车能量对最大起飞质量影响最敏感.     

基于VEGA舰载机滑跃起飞视景仿真的实现

建立了舰载机滑跃起飞模型和舰船在规则波中的运动模型，然后利用建模软件Creator及视景驱动软件VEGA建立虚拟海洋环境及舰船，舰载机的几何模型，并在API应用程序中对舰载机和舰船的六自由度运动进行实时控制。仿真结果表明该仿真系统较好地模拟了舰船在规则海浪中的运动情况。实现了舰载机滑跃起飞的实时状态，而且能反映舰船运动对舰载机起飞的影响。     

电动轻型飞机起飞总重估算方法研究

电动飞机在飞行过程中其重量始终保持不变,使得对其进行起飞总重估算的过程中,在参数的确定方法上与传统的燃油飞机有所不同。首先提出了适用于电动轻型飞机的按任务剖面、按商载和航程估算起飞总重的方法,并对任务剖面法解的存在性和收敛性进行了分析。然后以某型双座电动轻型飞机为例,应用这两种方法对起飞总重分别进行了估算,取两者的平均值作为最终起飞总重的估算值,并对该估算结果的合理性进行了分析。本文提出的方法为后续电动飞机的研制提供直接参考价值。     

无人机燃料电池混合动力系统人工神经网络控制策略

目前,全球有200多项在研电推进飞机项目,包含传统固定翼飞机改造、新构型设计、全电推进系统和混合电推进等。近年来,电推进飞机的发展方向可分为纯电动固定翼、电动垂直起降和混合电推进3类。本文针对某小型无人机燃料电池和锂电池组成的混合动力系统,建立了由质子交换膜燃料电池混合动力系统、6自由度飞行器模型和基于神经网络控制器组成的整个系统仿真模型。为了满足无人机不同飞行阶段的电力需求,控制器控制电池电流和充放电速率。在燃料电池作为无人机主要动力源的情况下,对混合动力系统的性能进行验证和评估。对人工神经网络控制器和模糊逻辑控制器性能进行了比较,结果表明,人工神经网络控制器的性能明显提高,增强了无人机混合动力系统的整体稳定性。人工神经网络控制器在效率和油耗方面比模糊逻辑控制器略有提高,约为1%。这说明在这类系统中,所设计的神经网络控制器比经典控制器具有更强的鲁棒性,更好的响应能力、可靠性,可满足无人机燃料电池混合动力系统运行在最优水平和最优效率上。     

航空器同航迹起飞放行规划方法

基于交通流量管理的地面等待是空中交通管制中普遍应用的一种方法,根据机场实际起飞容量的约束和管制规则的限制,提出了同航迹飞机起飞放行的规划模型,以达到平滑交通流量的目的,并对模型的应用和功能进行了简单的评估验证。