基于协方差配置的飞机阵风减缓与乘坐品质控制

为了解决大型飞机高速巡航飞行中阵风减缓和乘坐品质控制问题,提出一种基于协方差配置的主动控制设计方法,该方法运用协方差配置、区域极点配置理论,以瞬时加速度级别出现概率直接度量乘坐品质,将期望乘坐品质下飞机的垂直阵风减缓控制问题转化为飞机纵向短周期运动区域极点和法向过载约束的满意控制问题,利用线性矩阵不等式技术进行约束指标下的凸优化,设计相应的相容控制策略。仿真结果表明:大型飞机在给定3m/s阵风条件下巡航,其俯仰速率与过载响应均逐渐稳定,并满足期望极点与输出方差要求,同时,阵风产生的结构疲劳过载超出概率0.08,也在允许范围内,验证了该设计方法的可行性。     

基于协方差配置的飞机阵风减缓与乘坐品质控制

为了解决大型飞机高速巡航飞行中阵风减缓和乘坐品质控制问题,提出一种基于协方差配置的主动控制设计方法。该方法运用协方差配置、区域极点配置理论,以瞬时加速度级别出现概率直接度量乘坐品质,将期望乘坐品质下飞机的垂直阵风减缓控制问题转化为飞机纵向短周期运动区域极点和法向过载约束的满意控制问题,利用线性矩阵不等式技术进行约束指标下的凸优化,设计相应的相容控制策略。仿真结果表明:大型飞机在给定3 m/s阵风条件下巡航,其俯仰速率与过载响应均逐渐稳定,并满足期望极点与输出方差要求,同时,阵风产生的结构疲劳过载超出概率0.08,也在允许范围内,验证了该设计方法的可行性。     

H_∞控制在飞机阵风缓和中的应用

采用Dryden模型对阵风进行模拟,并对飞机非线性模型作了线性化处理.在此基础上选用机动襟翼和升降舵作为控制面来抑制阵风引起的附加法向过载和俯仰姿态角变化.阵风缓和系统是基于线性矩阵不等式理论进行设计的H∞状态反馈控制器.通过计算仿真,可以验证H∞状态反馈控制器具有非常有效的阵风抑制效果.     

近地阶段ARJ21飞机尾流遭遇安全性研究

在实际管制运行中,为了缩短ARJ21飞机与前机尾流间隔,同时避免尾流遭遇危险事件的发生,选取前机机型为A330-200重型机,分别对ARJ21纵向和横向穿越前机尾涡场两种模式下的风险性进行了分析。首先建立了前机尾涡耗散与速度诱导模型,然后根据ARJ21遭遇尾流受力响应模型进行求解,分别计算出两种尾流遭遇模式下ARJ21整机、机翼、机身、平尾及发动机升力与力矩的变化,最后计算得出滚转力矩系数指标和过载增量指标进行安全性验证。结果表明：当ARJ21以ICAO规定的尾流间隔纵向遭遇尾涡时,其滚转力矩系数小于0.04,过载增量与安全裕度之和小于0.5;在交叉跑道上空横向遭遇尾涡时,过载增量与安全裕度之和小于0.5,验证了ICAO尾流间隔标准的安全性。ARJ21跟随A330-200的尾流间隔较ICAO标准缩短2481m,缩减率为26.79%,有效提高了机场的运行效率。     

台风“启德”登陆过程中近地风场特征

通过对台风过程的风速及风向、阵风因子、湍流度和风速谱等参数的分析,研究了台风“启德”登陆时的近地风场特性.结果表明：台风“启德”的最大瞬时风速达到20 m/s,10 min最大平均风速为16m/s,台风登陆前,风速及风向脉动变化很大;台风登陆后,湍流度及阵风因子明显减小;风速变大,湍流度和阵风因子有减小的趋势.     

微小型飞机三维气动力特性的数值分析

对微型飞行器在Vin=15m/s,飞行攻角α=-10°～15°条件下的三维气流流动进行数值模拟.对升力系数、阻力系数等气动特性进行了分析研究,得出了一些与低雷诺数有关的微型飞机所特有的气动力特性.     

高雷诺数时弹性圆柱在浪流联合作用下的升力和阻力

本文在0.5×10~5≤Re≤5.47×10~5,波高(H)为15,20,25,30,40cm(相应的波浪周期Tw为1.28,1.47,1.65,1.8和2.1s)的范围中实验研究了弹性圆柱的流体载荷.通过测试圆柱表面压力,得到了稳态阻力系数、脉动升力和阻力系数,以及升力谱表达式.结果表明:圆柱振动对流体载荷有不容忽视的影响,在高雷诺数时,当波浪遭遇频率与旋涡发放带接近时,圆柱的升力谱将发生变化.     

基于原子力显微镜的纳米尺度摩擦力的速度依赖关系

以硅为探针、带有自然氧化物的硅(100)晶面为基底样品,利用原子力显微镜研究了探针扫描速度对于单个微凸体系统中摩擦力的影响.首先,利用热噪声标定法测量出硅悬臂梁的法向弹簧常数和法向灵敏度;然后,利用改进的楔形校准法,通过扫描三角光栅得出侧向灵敏度;最后,测量出扫描区域为15μm×15μm、正压力为-5～10 nN、扫描速度为2.5～1 000μm/s下的摩擦力.实验结果表明,不同速度下摩擦力随正压力的增加呈近似线性增加,服从经典库仑定律.当扫描速度小于40μm/s时,速度增加所导致的摩擦力的增加不明显;当扫描速度大于40μm/s时,速度增加则引起摩擦力急剧增加.该结果与热激发的Tomlinson模型的计算结果吻合.     

上海环球金融中心顶部台风“灿鸿”风速实测

基于上海环球金融中心顶部(494m)采集到的台风"灿鸿"风速数据,对平均风速、湍流强度、阵风因子和峰值因子进行了分析.用广义风速谱拟合的方法计算湍流积分尺度,运用拟合参数将风速谱与Von Karman谱进行对比.研究结果表明:10min最大平均风速与1h平均风速,3s最大平均风速与10min平均风速均有较好的线性关系;顺风向和横风向阵风因子与湍流强度之间都满足线性关系;顺风向和横风向湍流积分尺度随10min平均风速的增加而增加;本次实测得到的风速谱与Von Karman谱有一定差距.     

水翼型水上飞机水动性能数值计算及分析

采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法对水翼型水上飞机水面起飞过程水动性能进行计算。使用Realizable k-ε模型对NACA0012三维地效机翼进行计算,验证空气动力计算方法。使用流体体积函数(VOF)方法对验证模型在不同弗汝德数下进行数值模拟,验证水动力计算方法。最后,对水翼型和双浮筒型水上飞机水面起飞过程进行数值计算,计算结果表明,水翼能够产生较大水动升力,当速度达到12 m/s时,水翼产生的水动升力将机身抬离水面;水翼水动升力峰值为6 395 N,约占飞机总升力的83%,双浮筒型水上飞机阻力增加较快,其阻力峰值约为水翼型水上飞机阻力峰值的1. 87倍,从而证明了水翼能够产生较大水动升力并能有效降低水上飞机的水动阻力。     

飞机对离散突风的动态响应

本文主要叙述飞机对离散突风的非定常动态响应数值计算法.对两架样机的计算表明,通常飞机设计中选用统一缓和因子的方法是不全面的.使用本方法可以计算出飞机对任意形态离散突风响应过程中的所有非定常气动力参数和飞行状态参数.它不仅能考核已有飞机的抗紊流能力,还可对新飞机的设计提供选择参数的指导性意见.计算还表明,在研究、分析飞机对高频离散紊流的动态响应时,使用本文介绍的非定常气动力技术,也是十分必要的.     

基于方格网状等离子体激励器的翼型湍流减阻实验

等离子体流动控制技术具有结构简单、响应迅速等特点，已成为流动控制领域的研究热点。为减小飞机的湍流摩擦阻力， 提出了一种基于方格网状等离子体激励器的新型湍流减阻方法，研究了其放电特性与诱导流动特性，并在风洞中获得该激励器减小NACA0012翼型湍流摩擦阻力的参数规律。结果表明，静止条件下，方格网状激励诱导的射流速度与占空比成正比，而随脉冲频率的增大先增加后减小，诱导射流的最大瞬时速度为1.75 m/s。来流速度为15 m/s时，激励能使翼型湍流摩擦阻力减小3.5%。方格网状激励诱导产生的射流使近壁面流体整体抬升，破坏近壁面涡结构，进而抑制湍流生成，实现摩擦减阻。     

非均匀来流下飞翼布局气动特性模拟方法研究

飞翼布局的非均匀来流会使得飞翼的流场不均匀,从而影响其气动性能。通过引入"网格速度"来计入非均匀来流的影响,求解非定常Navier-Stokes方程,实现了非均匀来流下飞翼布局气动特性的数值模拟。首先采用该方法对NACA0006翼型非均匀来流下的气动力响应进行了计算,计算结果与文献计算结果吻合良好。进一步对某飞翼布局飞机在非均匀来流下的气动力响应过程进行了数值模拟,得到了不同振荡速度比率下飞翼布局气动力系数随相位角变化曲线,结果表明,振荡速度比率越大,升力响应的幅值越大,非均匀来流对飞行器气动特性影响越明显。     

大展弦比复合材料机翼的突风响应

大展弦比复合材料机翼受到的载荷主要来源于突风,较大的突风响应会影响飞机的飞行性能和安全性.为此建立了大展弦比机翼突风响应的分析方法.对于离散突风,通过时间积分得到响应的时间历程;对于连续突风,由频响函数求得响应的功率谱密度.以某机翼为例进行了数值计算,得到了不同突风速度、不同铺层角下,机翼的突风响应.结果表明,对于离散突风,翼尖的最大加速度和翼根最大弯矩都随突风速度的增加而增加,铺层角对翼尖处的最大加速度影响不明显,但对翼根弯矩有较明显的影响;对于连续突风,随着铺层角的增加,翼尖响应的均方值有明显的增加.     

高超声速飞行器机翼关键部件损伤特性研究

为有效预防机翼关键部件损伤对飞行安全的影响, 分析了高超声速飞行器机翼关键部件的损伤演化及飞 行器飞行动态对损伤的影响。 通过建立高超声速飞行器机翼材料的损伤动力学模型以及对机翼翼梁根部载荷 应力分析, 依次分析了飞行器飞行高度、 速度、 迎角以及副翼偏转角等变量对机翼关键部件损伤特性的影响, 以确定影响损伤的关键变量。 分析仿真结果表明, 相对于其他变量, 飞行器迎角对机翼关键部件损伤的影响最 大。 从保证飞行器安全和延长寿命的角度分析, 应尽量限制飞行器的迎角。 从而为减损控制系统设计奠定基 础, 并为提高飞行器结构的可靠性和延长飞行器寿命提供参考。     

前掠翼与后掠翼布局流动机理的数值研究

采用三维N-S控制方程和标准k-ε模型,计算了前掠翼和后掠翼模型的气动特性,比较了各自的优势和不足,并通过流场显示分析了其流动机理。研究结果表明:小迎角下后掠翼的升力系数较高,大迎角下前掠翼的失速性能较好,其根源是展向速度的方向相反。后掠翼过早的翼尖失速是导致失速迎角较小的原因。而前掠翼之所以具有良好的大迎角性能,是由于其机翼根侧缘涡和翼尖前缘涡相互作用,对机翼产生上吸力,带来涡升力并且增强了对机翼表面流动的控制能力。前掠翼的流动机理可为先进飞机布局的设计提供理论依据。     

基于数据驱动的小型柔性翼飞行器控制研究

柔性翼在阵风干扰下的被动变形有助于降低其对飞行器运动的影响,设计采用柔性翼的小型飞行器被认为是解决小型飞行器易受阵风干扰问题极具潜力的方案.同时,翼面可卷曲的特性也使得该类飞行器满足单兵便携式武器装备易携带的要求.考虑一种无副翼柔性翼飞行器区别于常规飞行器布局的特点,为解决由飞行试验数据分析得出的全动平尾舵面出现非线性饱和问题以及同时利用平尾舵面控制滚转俯仰通道引起的耦合问题,设计了一种基于数据驱动的无模型自适应控制器方案.数值仿真结果证实了针对该型无副翼柔性翼飞行器的姿态控制,所设计的控制器较传统单通道PID控制器控制效果更好.      

多控制面柔性翼飞行器阵风减缓研究

小型柔性翼飞行器遭遇较强阵风时会引起姿态和质心加速度的剧烈变化,并诱发柔性机翼的弹性运动,甚至导致失稳.柔性翼飞行器的阵风减缓控制需要同时考虑刚体自由度和弹性自由度.基于最小状态法,将频域非定常气动力转化成时域状态空间形式.推导了离散阵风和连续紊流扰动下,柔性翼飞行器的纵向状态空间方程.采用预测控制方法设计了阵风减缓控制器,提出了多控制面控制分配策略,解决了强阵风扰动下独立控制面控制力不足的问题.仿真结果表明,模型预测控制能够有效减缓离散阵风和连续阵风扰动下飞行器的结构载荷,稳定刚体运动和弹性运动,其控制效果优于线性二次高斯（LQG）控制.