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。     

基于图论的共轴主减速器轻量化设计方法

主减速器是直升机传动系统的重要部件,其质量指标对整机性能有着重要影响。以共轴反转直升机的主减速器为对象,提出了一种基于图论的主减速器构型设计方法。1)通过对现有共轴主减速器资料的归纳,得到连接规律、边界条件和齿轮单元;2)建立主减速器对应邻接矩阵的自动生成方法,并将邻接矩阵转换为改进的图论模型;3)生成方案集合并建立筛选规则,得到主减速器的可行方案集合;4)利用序列二次规划算法建立基于齿轮强度约束的优化程序,对可行方案的齿轮质量进行筛选,得到齿轮总质量最小的主减速器方案。为验证此方法的合理性,给出了三级圆柱齿轮构型主减速器方案的设计过程,筛选出一种可行方案。     

直8型机主减滑油冷却风扇性能测试试验及分析

直升机主减速器是一个高速运世哲学转的齿轮箱，其中的润滑油温度对主减速器的正常工作至关重要，而主减滑油冷却系统能否正常工作主要取决于冷却风扇。直8型直升机的主减滑油冷却风扇是随主减速器一同从国外进口的附件，由主减速器输出轴驱动。除转速外，其主要性能参数（功率、流量、全压、静压和效率）没有给出。在国产化过程中，按进口件实物测绘制造出同尺寸的产品，但无法给出风扇的性能指标，国产化风扇不能鉴定和装机使用。为了摸清直8型直升机主减滑油冷却系统的工作状态，标定风扇的设计性能，我们在北京航空航天大学空调研究所对进口风扇和国产风扇进行了对比试验，并对试验结果进行了对比分析。     

小型共轴式直升机纵横向动力学建模与辨识

运用经典的叶素法和一阶谐波理论,建立了悬停状态下某小型共轴式直升机纵横向通道的理论计算模型;同时根据飞行试验中采集的直升机输入输出数据,以参数化理论模型为基础,运用系统辨识的方法得到了该机纵横向通道模型．通过计算机仿真,分别对理论计算模型和系统辨识模型进行了时域验证和分析,并比较了2种模型的稳定性导数、操纵导数及特征根,对该直升机的稳定性进行了分析．研究表明：所建立的小型共轴式直升机纵横向通道的理论计算模型能够反映该机悬停状态下纵横向通道的动态特性,以此为基础建立的系统辨识模型可以作为飞行控制系统纵横向通道控制的数学模型．     

基于模糊PID的无人直升机悬停控制技术研究

小型无人直升机凭借良好的机动特性,在军事和民用方面有着广泛的用途.为了抑制阵风对无人直升机悬停状态的干扰,以悬停状态的横向位置控制为对象,分析了典型PID悬停控制特点,设计了一种加入前馈的模糊PID控制策略.该策略通过在横滚角回路加入加速度前馈环节,抑制初始时刻的扰动;并根据直升机悬停特性制定了模糊规则,利用模糊推理在线调节PID参数,实现横滚角自适应控制.仿真实验结果表明,本文提出的自适应控制策略抑制阵风能力强,动静态性能均优于经典PID控制.     

基于有限状态入流的无轴承旋翼气弹稳定性

为准确分析悬停状态下无轴承旋翼的气动弹性稳定性,建立了一种基于有限状态入流的直升机气动弹性稳定性分析的模型.采用格林-拉格朗日应变张量推导了无轴承旋翼桨叶的非线性应变-位移关系,把桨叶作为多路传力系统进行处理并根据哈密顿原理建立了桨叶运动的有限元方程,非定常气动力采用有限状态状态入流模型.根据桨叶模态方程的特征值判断悬停状态下无轴承旋翼的气动弹性稳定性.数值计算结果表明：采用有限状态入流模型计算桨叶的一阶摆振阻尼比传统的动力入流模型和均匀入流模型与试验数据的符合程度更好,从而验证了本模型的正确性.     

结合非线性频谱和核主元分析的机器人用RV减速器故障诊断

针对机器人用RV减速器故障诊断准确率低问题,采用基于非线性输出频率响应函数频谱与核主元分析(KPCA)相结合的方法诊断RV减速器故障。利用RV减速器性能测试平台采集减速器在正常状态和故障状态下的输入和输出数据;采用批量估计算法得到每种状态下的前4阶频谱值,将其作为故障特征送入KPCA进行压缩,通过设置主元累计贡献率将400维数据压缩至5维;将KPCA生成的低维数据送入支持向量机分类器进行训练和测试。试验结果表明:与仅把振动信号时域或频域作为数据集进行故障诊断的方法相比,所提方法的故障诊断准确率分别提升了27.50%和8.34%,达到了96.67%,所提方法在RV减速器的故障诊断上有效。     

悬停状态下微型直升机航向模型的系统辨识

为实现微型直升机的自动控制飞行,需要建立其动力学模型。用神经网络和传统的微分方程难以获得适用于微型直升机控制系统的动力学模型。为此,在满足系统建模的前提假设下,设计了实验方法及测控装置。基于所获取的飞行数据,采用系统辨识的方法,建立了悬停状态下NEXUS30模型直升机的航向输出误差模型。对模型的评价结果表明,模型能充分反映微型直升机的航向动力学特性,并且结构简单,能作为设计控制系统时的参考模型。     

基于LPV模型逆的无人直升机中低速巡航控制

为了提高无人直升机闭环控制系统的动态带宽,从非线性标称模型中通过动态线性化得到变化参数为前进比的线性参数变化模型,以此构造模型逆控制器。这种控制器综合方法分为姿态和速度共内外两层结构,并且可以有效地实现各级动态指标。通过借用非线性标称模型构建的闭环系统仿真表明:这种控制器综合方法在无人直升机从悬停到低中速前飞的动态范围中有令人满意的控制效果。     

基于状态指标的直升机减速器行星轮故障诊断

直升机传动系统是一套复杂的旋转机械装置,承担直升机功率传动的功能,对直升机的安全性至关重要。开展传动部件故障诊断研究,可提高直升机安全性,具有重要价值。本文中描述了直升机主减速器行星齿轮的故障诊断研究。首先分析了行星齿轮的主要故障模式,针对行星齿轮的裂纹故障和剥蚀故障,确定了齿轮故障诊断的状态指标;研制了行星齿轮的裂纹故障试验件和剥蚀故障试验件,并在直升机传动系统故障植入试验验台开展了相关验证实验。通过对采集的数据进行分析,结果表明：利用行星齿轮故障试验件的振动数据计算的状态指标值和健康状态阈值能够明显区分,可以有效诊断行星齿轮的裂纹故障和剥蚀故障。可见采用状态指标对行星齿轮的故障进行诊断是有效的。     

FL-52风洞Ф1.5m直径共轴刚性旋翼试验台研制

为满足国内高速共轴对转旋翼气动特性及流动机理风洞试验研究的需要,在中国航空工业空气动力研究院FL-52声学风洞开展了Ф1.5 m直径共轴刚性旋翼试验台的研制(简称共轴旋翼试验台)。该共轴旋翼试验台由试验台架系统和旋翼测控系统组成,通过一台高功率密度交流变频电机驱动上下旋翼同步反转,可实现旋翼主轴倾角、旋翼转速、旋翼总距及周期变距等同步精准控制功能。通过共轴旋翼试验台地面模态测试及动平衡调整,排除了试验台转速频率与固有频率的共振关联性;利用该共轴旋翼试验台开展1.5 m直径旋翼风洞试验。结果表明:在悬停和前飞状态下,配平策略合理,悬停状态上旋翼效率大于下旋翼,扭矩配平状态下,上旋翼拉力在总拉力中的占比变化不大。     

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。     

直升机旋翼前飞状态下的气动弹性分析

建立一种旋翼前飞状态下的旋翼气动弹性分析模型,模型中采用松耦合方法集成高精度计算流体力学(CFD)气动模型。采用Green应变以及几何精确的弹性运动及变形的几何关系式;并通过Hamilton建立旋翼动力学方程。采用基于N-S控制方程的CFD气动模型,采用滑移网格技术实现桨叶运动。通过计算SA349/2直升机前飞状态下的挥舞、摆振振动载荷,对比试验数据,验证建立的气动弹性分析模型。结果表明,集成CFD的气弹模型能有效提高振动载荷预估精度,对于高阶谐波载荷的计算有很大的提高。     

非最小相位直升机悬停的鲁棒控制

研究直升机悬停状态时其动力学模型非最小相位且不稳定特性的设计问题,对于此类系统,一般的反馈设计方法可能使系统性能对参数的变化过于敏感,为此采用“平衡”设计方法得到具有鲁棒性的控制器,并通过对实例直升机悬停控制系统的设计,给出了具体的设计方法,通过仿真表明了该方法的有效性。     

小型涵道飞行器悬停状态动力学建模研究

针对小型涵道飞行器介于直升机和固定翼飞机之间独特的结构特点和控制特性,对小型涵道飞行器在悬停状态下的动力学进行分析,结合刚体动力学和空气动力学对飞行器所受力和力矩进行推导,并建立动力学模型.同时对模型零动态的渐近属性进行研究,得出飞行器物理参数与内动态稳定性的关系,分析结果表明,系统零动态的指数不稳定性不仅受到控制舵压心到飞行器质心距离的影响,同时也和螺旋桨的陀螺惯量有关.     

主减速器装配过程中垫片厚度选择

汽车主减速器装配质量的影响因素很多,其中一个重要的因素是如何选取垫片厚度的问题。文章采用有限元法对某商务车后桥主减速器装配过程进行力学分析,获得了主减速器装配过程中的变形和应力状态;针对主减速器工作中应满足最小驱动力矩的指标,通过数值计算得到垫片实际的厚度,为主减速器的一次性装配成功提供了依据。     

受控后缘小翼智能旋翼气动弹性分析

建立了一种考虑刚体小翼-弹性桨叶耦合的后缘小翼智能旋翼动力学分析模型,分析小翼受控后的旋翼气动弹性响应及动载荷变化。通过与SA349/2直升机的飞行实测数据比较,证实模型的计算结果可靠,精度与CAMRAD II软件相当。悬停状态基准旋翼的后缘小翼受控后,桨尖的挥舞/摆振/扭转响应都明显增加,且响应幅值基本随小翼的偏转角线性增加。对0.197前进比的前飞状态,以针对桨毂载荷的优化控制规律操纵后缘小翼偏转,挥舞与摆振响应变化不明显,震荡扭转响应的幅值明显增大。对于两个计算状态,挥舞响应与扭转响应收敛速度均比摆振响应快。     

舰载直升机着舰风限图计算

 基于动量源计算流体力学（CFD）方法,建立了一个适合前飞状态舰载直升机着舰风限图计算的新模型。在该模型中,控制方程采用惯性坐标系下的非定常Euler主控方程,空间离散采用有限体积法,时间推进采用5步显式Runge－Kutta迭代,来模拟舰船复杂紊流场环境下直升机着舰过程中的旋翼/机身/舰体耦合气动特性;为显著提高计算效率,使用动量源模型模拟旋翼流场的作用;同时考虑着舰飞行状态下的直升机平衡计算,在此基础上确定风限图。以UH-60为研究对象,选取风向角为0°、60°和300°三种状态进行了直升机的平衡计算,并与得到的试验数据进行对比分析,验证了结合CFD的平衡计算方法的可靠性。应用所建立的方法,以旋翼操纵量、尾桨操纵量、直升机姿态角和全机需用功率为判断标准,给出了算例直升机的着舰风限图。结果表明基于CFD的着舰风限图计算方法可以有效地用于舰载直升机着舰风限图的确定。     

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。     

基于动力系统模型的四旋翼推力估计方法

为解决四旋翼飞行器的精确控制需要使用动力系统推力,而该飞行器推力不可直接测量的问题,提出了一种悬停状态下的四旋翼推力估计方法.对四旋翼动力系统建模,并建立了悬停状态下用于推力估计的线性系统,以动力系统输入控制值和四旋翼姿态及高度输出测量值作为新系统输入,使用状态观测器对四旋翼推力进行估计.结果表明,基于动力系统模型的四旋翼推力估计方法可有效估计悬停状态下四旋翼动力系统所产生的推力.