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微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

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航空学报 2005年第4期26卷 385-391页

作者：孙茂熊燕北京航空航天大学流体力学研究所北京100083

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解NS方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态... 详细信息

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解NS方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态、快衰减模态、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。

关键词：仿生力学蜜蜂悬停动稳定性 N-S方程数值解模态分析

纵列式双旋翼悬停状态气动干扰特性参数影响分析

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空气动力学学报 2011年第2期29卷 155-162页

作者：黄水林招启军徐国华中国直升机设计研究所直升机旋翼动力学重点实验室江西景德镇333001 南京航空航天大学直升机旋翼动力学级重点实验室江苏南京210016

建立了一个纵列式直升机双旋翼气动干扰特性分析的自由尾迹迭代方法。在该方法中,考虑了双旋翼以及旋翼与尾迹之间的相互干扰影响,将旋翼尾迹模型、桨叶气动力模型以及旋翼配平模型进行耦合求解。同时给出了一个适合于双旋翼干扰计算特... 详细信息

建立了一个纵列式直升机双旋翼气动干扰特性分析的自由尾迹迭代方法。在该方法中,考虑了双旋翼以及旋翼与尾迹之间的相互干扰影响,将旋翼尾迹模型、桨叶气动力模型以及旋翼配平模型进行耦合求解。同时给出了一个适合于双旋翼干扰计算特点的配平方法。计算了悬停时干扰状态下的双旋翼诱导速度分布以及旋翼性能,并与试验数据进行对比,验证了方法的有效性。应用上述方法,对比分析了纵列式双旋翼与单旋翼的性能,结果表明:悬停时纵列式前、后旋翼的性能都比单旋翼时的要差。文中进一步系统地分析了悬停状态双旋翼纵向间距和轴向间距对气动干扰特性的影响,结果显示:当纵向间距为1.3R时,纵列式双旋翼相比两单独旋翼需要额外的附加功率为8.5%,且随纵向间距的增大,附加功率减小并出现负值,当纵向间距为1.85R时,附加功率最小。

关键词：旋翼直升机悬停纵列式气动特性自由尾迹

基于Navier-Stokes/Kirchhoff方程的悬停旋翼跨声速气动声学计算

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计算力学学报 2009年第6期26卷 834-839页

作者：刘金花徐丽杨爱明特灵空调系统(中国)有限公司上海200001 上海电力学院数理系上海200090 复旦大学力学与工程科学系上海200434

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响。发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法。数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分。悬停旋翼流场的数值模... 详细信息

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响。发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法。数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分。悬停旋翼流场的数值模拟是在两个相互重叠的网格上进行的:在高质量的旋翼网格上求解Navier-Stokes方程,用于模拟旋翼附近的粘性流动和近场尾涡的捕捉;在远离粘性区域处布置符合悬停流场物理特征的圆柱形背景网格,控制方程为Euler方程,用于远场尾涡的捕捉。计算得到的流场信息插值到用于声场计算的Kirchhoff积分面上。观测点处的噪声可以认为是由这个完全包含桨叶的Kirchhoff积分面上的面元(声源)发声得到。远场声波的传播由Kirchhoff积分公式描述。计算结果表明:采用有盖有底的Kirchhoff积分面并且同时计及旋翼网格流场值时,计算得到的HSI噪声与实验值吻合最好。

关键词：旋翼悬停 Navier-Stokes方程 Kirchhoff方程重叠网格气动噪声

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相对空间目标任意位置悬停闭环控制方法研究

中国空间科学技术 2010年第1期30卷 41-45页

作者：宋旭民范丽陈勇李智装备指挥技术学院北京101416

研究了相对空间目标任意位置悬停的控制方法,针对现有的开环控制方法对外部干扰和初始误差敏感的问题,基于Hill方程提出了悬停闭环控制方法。进行了仿真计算,证明了方法的有效性。仿真结果表明:该文方法的燃料消耗与开环控制接近而控制... 详细信息

研究了相对空间目标任意位置悬停的控制方法,针对现有的开环控制方法对外部干扰和初始误差敏感的问题,基于Hill方程提出了悬停闭环控制方法。进行了仿真计算,证明了方法的有效性。仿真结果表明:该文方法的燃料消耗与开环控制接近而控制性能更好,可以在具有初始速度误差的情况下实现相对于空间目标的任意位置悬停。

关键词：悬停闭环控制轨道控制相对运动航天器

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直升机旋翼悬停流场的粘性数值模拟

空气动力学学报 2009年第5期27卷 582-585页

作者：牟斌肖中云周铸陈作斌中国空气动力研究与发展中心四川绵阳621000

在旋转坐标系下求解可压缩NS方程,对Caradona-Tung旋翼的跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算中采用嵌套网格方法,并且应用了多重网格技术加速流场收敛。计算结果表明,多重网格技术显著改善了流场的收敛效率,计算量仅为单重网格的四分之... 详细信息

在旋转坐标系下求解可压缩NS方程,对Caradona-Tung旋翼的跨声速悬停流场进行了数值模拟,计算中采用嵌套网格方法,并且应用了多重网格技术加速流场收敛。计算结果表明,多重网格技术显著改善了流场的收敛效率,计算量仅为单重网格的四分之一。文中同时还对无粘和粘性流场进行了对比,NS方程考虑了物面的粘性作用,能正确模拟出激波和边界层的干扰现象,计算得到的桨叶表面压力分布与实验值更加吻合。

关键词：数值模拟悬停 Caradona-Tung旋翼多重网格嵌套网格

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基于约束运动水下机器人视觉悬停研究

仪器仪表学报 2006年第Z3期27卷 1840-1843页

作者：周船郝颖明吴清潇李硕朱枫中国科学院沈阳自动化研究所沈阳110016

悬停能力是水下机器人应具备的重要功能之一,本文介绍基于约束运动的水下机器人视觉悬停方法,该方法利用平面单应矩阵估计潜器的运动参数,并利用潜器的运动约束消除运动估计的多解,仿真和真实水下悬停实验验证了该方法具有较好的鲁棒性... 详细信息

悬停能力是水下机器人应具备的重要功能之一,本文介绍基于约束运动的水下机器人视觉悬停方法,该方法利用平面单应矩阵估计潜器的运动参数,并利用潜器的运动约束消除运动估计的多解,仿真和真实水下悬停实验验证了该方法具有较好的鲁棒性和跟踪性能。

关键词：水下机器人悬停平面单应矩阵

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小型涵道飞行器悬停状态动力学建模研究

北京理工大学学报 2012年第3期32卷 231-234,273页

作者：王正平李陈北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学机电学院北京100081

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... 详细信息

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.

关键词：涵道飞行器悬停动力学零动态内动态稳定性

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扑翼柔性变形对悬停气动特性影响的数值研究

哈尔滨工业大学学报 2012年第1期44卷 115-119页

作者：张兴伟周超英谢鹏哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

为研究扑动飞行器悬停时扑翼的变形给气动力及周围流场带来的影响,通过求解二维Navier-Stokes方程,分析了扑翼气动力及其周围流场结构随扑翼柔性变形的变化规律.结果显示,当扑翼在悬停扑动时,适当的柔性变形可以提高升力,增大升阻比,有... 详细信息

为研究扑动飞行器悬停时扑翼的变形给气动力及周围流场带来的影响,通过求解二维Navier-Stokes方程,分析了扑翼气动力及其周围流场结构随扑翼柔性变形的变化规律.结果显示,当扑翼在悬停扑动时,适当的柔性变形可以提高升力,增大升阻比,有效地改善气动特性.但是,过度的柔性变形会使扑翼的气动特性恶化,升力和升阻比随着过度的变形而减小.

关键词：柔性翼悬停气动特性数值计算

共轴式双旋翼悬停诱导速度场的PIV实验研究

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实验流体力学 2012年第1期26卷 16-20页

作者：马杨超于世美邓彦敏北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191 中国人民解放军陆军航空兵学院北京101123 北京大学地球与空间科学学院北京100871 <中国科学>杂志社有限责任公司北京100717

采用粒子图像测速(PIV)技术对悬停状态下共轴式双旋翼和单旋翼的流场特性进行了水洞实验测量,得到流场矢量图和涡量云图数据。通过对所得数据进行处理和深入分析,得出了悬停状态下共轴双旋翼流场特性的一系列有价值的结论,如:共轴式双... 详细信息

采用粒子图像测速(PIV)技术对悬停状态下共轴式双旋翼和单旋翼的流场特性进行了水洞实验测量,得到流场矢量图和涡量云图数据。通过对所得数据进行处理和深入分析,得出了悬停状态下共轴双旋翼流场特性的一系列有价值的结论,如:共轴式双旋翼产生的轴向诱导速度大于单独靠下旋翼产生的轴向诱导速度,但小于其两倍;沿旋翼轴向下,轴向诱导速度逐渐增大。径向诱导速度在桨尖区域表现为快速向内收缩,上旋翼收缩速度比下旋翼快,收缩范围大;对于单双旋翼,周向诱导速度都存在一个方向转向的半径位置,在其内和该旋翼转向相同,在其外则相反,对于理论研究和工程设计有重要的参考作用。

关键词：共轴式旋翼旋翼流场诱导速度悬停 PIV