飞机大迎角纵向机动稳定性及通向混沌的道路

基于非线性动力学理论,分析了飞机大迎角纵向机动的稳定性及混沌行为。根据纵向机动的动力学模型,分析了飞机在大迎角状态下的飞行稳定性,通过Lyapunov稳定性原理,给出了不同参数匹配条件下飞机的纵向机动稳定域;以升降舵偏角和质量为系统参数,利用Melnikov方法,研究了飞机纵向机动的混沌运动,得到通向混沌的道路;通过数值仿真得出不同条件下的飞机纵向运动的Lyapunov指数,分析实验结果并对理论推演进行了验证。结果表明:大攻角机动情况下,飞机极易进入混沌状态,造成飞行不稳定甚至导致飞行事故。     

基于爬升减速机动的大迎角偏离敏感性试飞技术

为防止飞机意外进入大迎角失速尾旋状态，现代电传飞机通常采用左边界保护控制策略。但在使用中，仍然难以避免由于飞行速度超出左边界后“掉入”大迎角状态的现象。为全面评估飞机的左边界飞行安全，必须通过试飞验证飞机大迎角偏离敏感性。采用传统的平飞失速和收敛转弯等试飞方法，难以解决飞机超出左边界后“掉入”大迎角状态后的偏离敏感性评估问题。针对某型飞机迎角限制和抗尾旋控制律的特点，提出了基于爬升减速机动的大迎角偏离敏感性评估方法，采用飞行仿真技术开发了大迎角偏离敏感性试飞动作，建立了在迎角限制和抗尾旋控制律的综合作用下飞机大迎角偏离敏感性和尾旋阻抗程度的评估程序，并且在某型飞机上进行了应用和验证，全面评估了某型飞机的大迎角偏离敏感性和尾旋阻抗程度，为该型机的左边界飞行安全提供了有效的支持。     

过失速机动的优化

基于飞机质点非线性动力学模型建立了过失速机动的优化模型，并进行了数值优化，其中用罚函数处理约束条件，用共轭梯度法寻优。计算结果表明，近距空战中，进入超大迎角并绕速度欠滚转有利于飞机快速改变航向，过失速机动中应注意能量耗散问题。     

积冰对飞机本体纵向非线性动力学稳定域的影响

积冰威胁飞行安全,研究积冰对飞机稳定性的影响对确保飞行安全具有重要意义。积冰导致飞机失速迎角降低,仅研究飞机在小迎角线性段的稳定性是不充分的,还需对其非线性动力学稳定域进行研究。首先,基于积冰条件下的飞机气动系数曲线,建立积冰飞机纵向运动的非线性模型;然后,根据非线性动力学理论构造出飞机纵向运动的稳定域边界,并利用时域仿真对稳定域边界进行验证;最后,通过对比无冰与积冰条件下稳定域的变化,分析积冰对飞机稳定域的影响,并将积冰对飞机稳定域的影响和其对气动系数的影响进行对比。积冰条件下飞机稳定域在俯仰角速度方向上收缩约20%,稳定域边界处的最大迎角减小约1°。研究结果表明,积冰条件下飞机稳定域的变化与气动系数的变化一致,积冰导致飞机的稳定域缩小,容易引起飞行事故。     

基于飞机空气动力和动力学方程的非线性分析李雅普诺夫稳定性

飞机的稳定性是飞行动力学的重要组成部分，基于飞机空气动力和动力学方程的非线性，将李雅普诺夫稳定性分析方法应用于飞机在定常大迎角飞行状态的稳定性分析，该方法克服了小迎角的局限性，在某型号设计中得到了具体的应用。     

民用飞机舵面运动特性对飞行特性影响研究

针对舵面运动特性对现代电传民用飞机飞行特性及飞行安全的影响以及现阶段国内研究的局限性。 这里建立了飞机六自由度动力学模型、舵面运动动力学模型;依据飞机选定的舵机偏转速率限制速度、全机气动力特性、舵面铰链力矩特性,利用MATLAB/simulink工具以纵向操纵面升降舵为例,仿真研究了舵面动力学特性以及舵面动力学特性对飞行特性的影响。结果表明,不同操纵状态下,舵面运动特性差异很大,操纵频率高,舵面以及飞机的响应幅值减小,飞机响应相位滞后增加;过高的操纵频率,将会引入非线性因素,以及附加相位滞后。     

大迎角飞行晶质模拟研究

为了探索出一条适合于评估失速迎角前大迎角飞行品质评估的思路 ,通过选取推杆并改变1 0°姿态角 ,带过载的从一侧到另一侧的倾斜并截获 90°滚转角及空 -空跟踪三项任务作为子任务集 ,在一台地面飞行模拟器上对一架第三代战斗机大迎角飞行品质进行了评估 ,并把评估结果与通过等效系统方法得到的结果进行了对比 ,结果表明尽管大迎角品质边界相对于小迎角有所不同 ,但只要适当调整品质边界 ,则用于评估小迎角品质的方法如等效系统等 ,在大迎角时仍可采用     

机动飞行下挤压油膜阻尼器对碰摩故障转子系统的影响

飞机飞行时,航空发动机的故障对于飞机的安全性有着重要影响。针对这个问题,基于Lagrange方程,建立了飞机在空间进行机动飞行时发动机转子系统的动力学模型;同时基于库伦定律,建立了转子碰摩故障模型;基于雷诺方程,建立了挤压油膜阻尼器的模型;对模型进行综合建模,得到不同机动飞行条件下转子-滚动轴承-挤压油膜阻尼器(SFD)系统非线性动力学微分方程,通过龙格库塔数值解法进行求解得到不同机动飞行状态下碰摩故障状态的系统振动响应,得到了不同机动飞行状态下碰摩故障转子系统的运动分岔图,同时利用典型转速(1 400rad/s,2 000rad/s)下转子系统的频谱图、庞加莱图、时域图和轴心轨迹图研究系统的动力学特性。研究结果表明:在高转速下,SFD能够显著提高系统的稳定性,抑制系统的非线性特征,但是在低转速下可能损害系统稳定性;不同机动飞行状态下,SFD对于转子系统非线性特征的影响大小也不同。     

基于随机森林的大迎角非线性非定常气动建模方法

提出了一种新的大迎角非线性非定常气动力和气动力矩建模方法.传统的依据物理机理分析、实验观测等来建立飞机气动系数与飞行状态之间的建模方法在大迎角非线性非定常气动力和气动力矩建模中存在着局限性,导致模型精度不高,针对这个问题,提出了随机森林建模方法.根据风洞中飞机大迎角俯仰机动的特点,结合随机森林模型的原理,确定了与大迎角随机森林模型相关的输入特征,通过误差分析实验确定了随机森林模型中决策树个数和内部节点随机选择属性个数等关键参数的取值,利用F-18缩比模型在低速风洞中实验数据进行实验,结果表明,与经典的多项式模型相比所建立的随机森林模型得到的预测结果与真实数据之间的误差更小.      

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。     

水平盘旋转子参数对滚动轴承系统非线性振动影响

以双盘转子-滚动轴承系统为模型,利用有限元法建立了动力学方程,并以数值方法为手段得到转子系统振动响应,分析了机动载荷、偏心对转子系统非线性振动及分岔特性的影响,为研究更加符合实际的复杂工况耦合故障的转子动力学系统提供理论指导.研究结果表明:在水平盘旋机动飞行下,在二倍临界转速附近系统产生丰富的非线性动力学现象;随着机动载荷的增加,主共振转速提高,并且在转速区间内系统的振动形式更多趋于稳定的单周期运动.水平盘旋下,转子系统不仅能发生1/2亚谐共振,在某些参数下还产生了一些低频振动.     

大展弦比飞翼刚柔强耦合飞行动力学与控制

针对大展弦比飞翼布局柔性飞行器在刚体和弹性自由度动力学强耦合情况下的控制问题,对相应的强耦合动力学特性与相应的控制方法展开研究.采用自由-自由模态法表征飞翼刚柔运动之间的惯性耦合;采用偶极子网格法和有理函数近似法完成广义非定常气动力计算;应用线性二次型最优控制方法进行飞行机动与弹性变形的联合控制律设计.与无控情况相比,闭环控制可有效减缓飞行器俯仰方向的阵风扰动至原来的40%.研究结果表明,飞行器一阶弯曲模态短周期之间存在明显动力学耦合.设计的闭环控制律可使动态弹性变形量始终向有助于减缓扰动方向变化.     

特技飞行中姿态参数的测量研究

飞机的姿态参数是研究飞机飞行状态的重要依据,在特技飞行试验中尤为重要,目前飞行试验中飞机姿态参数的测量是由全姿态组合陀螺仪完成的.在大迎角、失速、尾旋等特技飞行试验中.机载陀螺仪输出的姿态参数经数据采集系统处理后与飞机真实飞行状态之间存在误差.通过研究飞机的飞行状态与姿态参数输出特点.分析了姿态参数测量误差存在的原因.利用换向器技术改变输出多值性的问题,并在特技飞行试验中对改进的方法进行了多次验证,以期对今后大迎角、失速、尾旋等高风险、高难度特技飞行试飞中姿态参数的测量起到借鉴与指导的作用,为保证新机试飞任务顺利完成、保障飞行员生命安全提供有效的参考依据.     

对某型号民用飞机迎角传感器安装位置的研究

迎角传感器通过感知周围流场的方向,有效的测量飞机的迎角,并将迎角信号发送至相关系统,达到防止飞机进入失速状态的目的。流体力学计算软件具有模拟气流流场特性的功能。本文通过流体力学计算软件模拟出某型号民用飞机在不同的飞行条件下,机头区域的流场图谱以及压力云图。在相关图谱的分析支持下,从理论上选择出符合迎角传感器安装要求的位置。     

带中心刚体的旋转柔性件有限段建模

针对具有中心刚休带有柔性梁附件的刚柔耦合系统,介绍了基于Kane动力学方程的多体动力学理论,并应用有限段建模方法以过类刚柔耦合系统建立了动力学方程,体现了梁类附件的柔性效应,反映了系统内部耦合产生的非线性特征,并呈现大范围运动所产生的动力刚化现象,分析表明,所研究的建模方法比较完整,真实地反映了此类系统在大范围运动古的动力学特性,并具有较高的精度。     

蜻蜓柔性后翅模型的气动效能分析

为探究柔性材料对蜻蜓滑翔时气动特性的影响,通过数值仿真的方法,研究杨氏模量为3800 MPa,泊松比为0.18的三维柔性蜻蜓后翅模型在不同雷诺数和迎角滑翔时的气动效能和气动力作用下的结构变形.结果表明:柔性蜻蜓后翅在气动力的作用下会产生明显的弯曲扭转变形,且变形程度随着雷诺数和迎角的增大而增大,其中该扭转变形会使蜻蜓滑翔的实际迎角减小;由于产生了使迎角减少的扭转变形,使得在迎角为5°～30°滑翔时,升力系数减少了9％ ～45％,失速迎角增大10°以上;小迎角滑翔时,升力系数随速度增大而减小,大迎角滑翔时,升力系数与速度无明显相关性;大迎角滑翔时,在气流分离和柔性蜻蜓翼大角度扭转的作用下,上翼面的负压区向后缘移动,增加了负压区面积,增大了失速迎角,有利于提高蜻蜓飞行时的机动性.可见虽然柔性材料虽然会牺牲蜻蜓滑翔时的气动效能,但有助于蜻蜓高速大迎角飞行,提高了蜻蜓的机动性.     

机动飞行中转子轴承系统新型碰摩的动力学行为

采用考虑转静间隙变化和叶片数的新型碰摩模型,同时考虑转子在机动飞行条件下引起的机动载荷和滚动轴承非线性赫兹接触力,建立了转子-滚动轴承-碰摩耦合系统非线性动力学微分方程.利用数值方法分析了转速和机动载荷对系统动力学行为的影响.研究结果表明:机动飞行条件下碰摩转子系统亚谐波共振幅值增加;低速时,碰摩主要激发高频振动,高速时则激发低频振动;机动载荷增加使转子系统振动增大,从而引起转子与定子间的碰摩.     

结冰条件下大型飞机翼面分离流场结构及空气动力学特性研究

结冰对飞机的空气动力学影响特性是飞机结冰研究的重要内容。构建了具有典型大型客机几何外形的背景飞机模型,基于RANS方法对机翼结冰条件下全机的复杂空间流场结构及气动特性进行了研究。研究结果表明,机翼结冰主要影响背景飞机失速点附近的气动特性,翼面分离始发大幅提前、分离梯次完全消失是全机失速特性恶化、气动边界缩小的直接原因。研究可为深刻认识飞机结冰对气动力影响的流动机理提供支撑,为大型飞机结冰后的气动特性分析及飞行动力学研究提供依据。     

过失速机动飞行仿真系统建立与研究

为满足我国新一代歼击机的研制和技术验证需求,为其试飞关键技术研究和演示验证提供必要的技术支持,以更好更快地开展相关试飞方法的研究,开发了一套过失速机动飞行仿真系统。该仿真系统基于3种典型的过失速气动模型,采用动态逆控制方法,最终通过VP软件编程实现虚拟仿真环境,对各个部分的原理、方法和技术难点进行介绍和研究。该系统已用于试飞员的模拟飞行试验中,试验结果和试飞员评述表明：该系统完全达到了试飞员过失速机动初级飞行培训的要求。     

垂尾跨声速弹性载荷研究

研究了战斗机垂尾在跨声速范围的非线性气动弹性行为和弹性载荷特性。针对飞机垂尾,计算了飞机垂尾的颤振边界,通过CFD/CSD耦合时域内推进结构运动方程,得到弹性结构的响应历程,并记录每一时刻的气动载荷和结构惯性载荷,将气动载荷信息转换到CSD的结点上,加载到结构模型上进行瞬态响应分析,得到结构的动应力响应,计算给出了0°侧滑角时不同马赫数下的颤振边界和Ma=0.9、侧滑角2°和10°时的非定常气动载荷与非定常惯性载荷和弹性载荷的时域响应,分析了惯性载荷、气动载荷和弹性载荷对颤振的影响以及方向舵对垂尾颤振的影响。