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旋翼螺旋桨倾转过渡态气动特性研究

旋翼螺旋桨倾转过渡态气动特性研究

作者：张坤北方工业大学

学位级别：硕士

旋翼螺旋桨作为倾转旋翼机重要的推进装置,可以使飞机实现悬停、过渡和巡航三种飞行状态的连续切换。旋翼螺旋桨在倾转过渡过程中会产生复杂的非定常流动问题,给整桨造成强烈的气动干扰,影响着桨叶的气动特性和效率,因而对其气动性能有... 详细信息

旋翼螺旋桨作为倾转旋翼机重要的推进装置,可以使飞机实现悬停、过渡和巡航三种飞行状态的连续切换。旋翼螺旋桨在倾转过渡过程中会产生复杂的非定常流动问题,给整桨造成强烈的气动干扰,影响着桨叶的气动特性和效率,因而对其气动性能有必要开展深入的研究。本文首先对课题领域进行了较全面的调查研究,提出了一种能够实现高效变距与自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨设计思路,以适应多模式工况的气动要求,提升其综合气动效率和气动稳定性;之后利用课题组自主开发的旋翼螺旋桨气动设计工具和商用三维建模软件完成初始倾转旋翼螺旋桨的建模,在此基础上提取了桨叶展向不同截面翼型几何分布数据,建立了桨叶扭转分布数学模型,进而得到了变形桨三维模型。本文对旋翼螺旋桨不同的倾转过渡状态进行了CFD数值计算,针对不同的桨叶形态,开展了气动干扰对比分析。基于雷诺平均N-S方程的湍流模型方法(RANS)考虑了计算的便捷性和时效性,是当前计算螺旋桨流场的主要方法。本文使用RANS方法对旋翼螺旋桨倾转过渡态进行数值模拟,并采用T-Rex的非结构化网格生成方法获得了整桨的高质量网格,湍流模型使用了计算较稳定的SST模型。在网格无关性验证基础上,对初始桨进行了悬停(过渡起始位置)、巡航(过渡终止位置)模式下高可信度CFD验证;对比分析了两种桨叶在不同倾转角度下的气动性能,得到了两种桨叶的时间-拉力非定常特性线,变形桨的总拉力提升了5～15N;此外,绘制了压力云图、流线图和涡量图等,发现变形桨除了升力和气动效率提升外,翼尖气动干扰强度有所减弱。基于过渡终止位置处两种桨叶的气动性能一致的要求,得到过渡起始位置处变形桨的气动性能更佳;计算结果显示变形桨最佳悬停效率为74.91%,提升了1.62%;平均值为72.90%,提升了2.19%。最后对设计的变形整桨缩比模型进行选材、加工、装配、试验平台搭建和变距与扭转功能测试,得到其极限扭转角为±35°,初步验证了变形桨模型设计方法的可行性。

关键词：旋翼螺旋桨倾转过渡自适应变扭转非结构化网格数值模拟

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倾转过渡状态旋翼-机翼气动干扰特性

航空学报 2022年第12期43卷 208-219页

作者：刘佳豪李高华王福新上海交通大学航空航天学院上海200240

针对倾转旋翼机倾转过渡状态旋翼-机翼之间的气动干扰开展了高分辨率数值模拟。计算采用有限体积法对积分形式的非定常Navier-Stokes方程进行离散,使用重叠网格处理旋翼桨叶与机翼之间的相对运动。背景网格采用基于八叉树结构的笛卡尔... 详细信息

针对倾转旋翼机倾转过渡状态旋翼-机翼之间的气动干扰开展了高分辨率数值模拟。计算采用有限体积法对积分形式的非定常Navier-Stokes方程进行离散,使用重叠网格处理旋翼桨叶与机翼之间的相对运动。背景网格采用基于八叉树结构的笛卡尔结构化网格,并使用基于无量纲Q准则的网格自适应技术来获得高分辨率尾迹流场。首先,计算了孤立旋翼和旋翼-机翼组合体悬停状态,根据计算结果证明高分辨率求解器对于旋翼气动力预测的准确性和旋翼尾迹结构演化的高分辨率特性,对比了旋翼-机翼组合体悬停状态改进延迟分离涡模拟(IDDES)和RANS计算结果,IDDES所得流场更为精细且气动力结果与RANS结果也有所差异。随后,对倾转过渡状态不同倾转角下旋翼-机翼组合体飞行状态进行了仿真计算,得到并分析了旋翼与机翼之间气动干扰流场。结果表明,在倾转过渡状态中期旋翼产生诱导滑流对机翼有着一定的升力增益效果,而倾转初期与末期则无明显升力增益,初期甚至为负增益;旋翼与机翼气动变化情况证明倾转过渡状态旋翼-机翼气动干扰对倾转旋翼气动性能有着重要影响。

关键词：倾转旋翼机倾转过渡改进延迟分离涡模拟(IDDES) 漩涡流场气动干扰

小型多桨倾转机翼飞行器倾转过渡特性风洞试验研究

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直升机技术 2023年第1期 29-33,40页

作者：刘纪福马东林罗骏中国直升机设计研究所江西景德镇333001

多桨倾转机翼飞行器飞行模式多且操控复杂,尤其是倾转过渡模式,气动干扰复杂,操纵冗余,从理论上确定气动与操纵特性难度大。为了研究多桨倾转机翼飞行器倾转过渡模式的气动与操纵特性,对某小型多桨倾转机翼无人机单独机翼及整机开展了... 详细信息

多桨倾转机翼飞行器飞行模式多且操控复杂,尤其是倾转过渡模式,气动干扰复杂,操纵冗余,从理论上确定气动与操纵特性难度大。为了研究多桨倾转机翼飞行器倾转过渡模式的气动与操纵特性,对某小型多桨倾转机翼无人机单独机翼及整机开展了倾转过渡模式不同机翼倾角、不同舵面角度、不同油门等状态下的吹风测力试验。根据试验数据分析了整机倾转过渡模式的操纵特性及控制原则,为多桨倾转机翼构型飞行器总体设计及倾转过渡模式操纵策略研究提供了参考。

关键词：倾转机翼倾转过渡操纵特性风洞试验

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倾转旋翼机舵面故障后动态倾转过渡优化

航空科学技术 2023年第9期34卷 24-30页

作者：陈金鹤陈立霞黄水林中国直升机设计研究所直升机动力学全国重点实验室天津300300

倾转旋翼机操纵面故障后的安全高效应急操纵是避免飞行事故的重要环节。本文计算分析了倾转旋翼机遭遇不同作动器故障后倾转过渡的飞行轨迹和操纵优化。首先将倾转旋翼机不同舵面故障后的安全过渡倾转问题转换为最优控制问题,然后采用... 详细信息

倾转旋翼机操纵面故障后的安全高效应急操纵是避免飞行事故的重要环节。本文计算分析了倾转旋翼机遭遇不同作动器故障后倾转过渡的飞行轨迹和操纵优化。首先将倾转旋翼机不同舵面故障后的安全过渡倾转问题转换为最优控制问题,然后采用混合多重打靶法将最优控制问题离散为非线性规划问题,并进行数值求解。以XV-15为研究对象,面向基于最优控制模型的倾转过渡过程进行验证,随后注入舵面损伤、卡滞故障,计算并分析故障后的最优安全倾转过程和操纵策略。结果表明,当升降舵出现舵效损失时,飞行员需要增大纵向杆量输出,可完成动态倾转过渡,但随着损失增大,倾转过渡的操纵复杂度会提升;升降舵出现卡滞后,调节飞行速度,改变了倾转过渡路径,可完成正向倾转过渡。

关键词：故障倾转旋翼机最优控制倾转过渡

倾转旋翼/机翼耦合系统过渡状态气弹动力学试验研究

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振动工程学报 2008年第5期21卷 465-470页

作者：董凌华杨卫东张呈林南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室江苏南京210016

研制了半展长的倾转旋翼/机翼耦合系统动力学模型,进行了模型的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动随倾转角变化的气弹动力学特性分析及风洞试验,研究倾转角及前吹风速度对倾转旋翼/机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动气弹动力学... 详细信息

研制了半展长的倾转旋翼/机翼耦合系统动力学模型,进行了模型的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动随倾转角变化的气弹动力学特性分析及风洞试验,研究倾转角及前吹风速度对倾转旋翼/机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动气弹动力学特性的影响。理论分析与试验结果表明:随试验模型从直升机模式倾转过渡到飞机模式,倾转旋翼/机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动频率将会提高;在小前进比的前吹风倾转过程中,倾转旋翼/机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动的阻尼随倾转角位置的不同而显著变化,随试验模型从直升机模式过渡到飞机模式,倾转旋翼/机翼耦合系统的机翼基阶挥舞弯曲/扭转耦合振动的阻尼明显降低。

关键词：旋翼气动弹性多体动力学倾转旋翼倾转过渡

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新型无人倾转旋翼机过渡状态飞行控制律设计

新型无人倾转旋翼机过渡状态飞行控制律设计

作者：肖江涛南京航空航天大学

学位级别：硕士

倾转旋翼机兼具直升机和固定翼飞机的特点,不仅能够实现垂直起降和空中悬停等功能,而且具备高速巡航和航程远的优点,因此在军用和民用领域都具有广阔的应用前景。但是,作为一种新构型的飞行器,倾转过渡模式是无人倾转旋翼机实现直升机... 详细信息

倾转旋翼机兼具直升机和固定翼飞机的特点,不仅能够实现垂直起降和空中悬停等功能,而且具备高速巡航和航程远的优点,因此在军用和民用领域都具有广阔的应用前景。但是,作为一种新构型的飞行器,倾转过渡模式是无人倾转旋翼机实现直升机模式与固定翼模式转换的关键,而飞行控制律在该转换中必不可少,所以,开展无人倾转旋翼机过渡状态飞行控制律的研究具有重要的工程意义。本文以一种新型无人倾转旋翼机作为研究对象,在其飞行动力学建模、过渡状态运动特性分析及飞行控制律设计方面进行了研究。主要研究内容包括以下几个方面:第一章,作为前提和背景,简要概述了倾转旋翼机的发展历程和飞行控制研究的国内外进展,指出了过渡状态飞行控制律设计的重要意义,并介绍了本文拟采用的研究内容和方法。第二章,开展了新型无人倾转旋翼机各部件的气动建模研究,通过结合机体动力学方程,搭建了全机飞行动力学仿真模型,并通过验证算例验证了该模型的可靠性,为过渡状态的运动特性分析和飞行控制律设计奠定了基础。第三章,基于飞行控制律设计约束,分析了新型无人倾转旋翼机低速段和高速段短舱倾转角-速度包线,得到了倾转旋翼的“过渡走廊”;针对新型无人倾转旋翼机不同飞行状态开展了配平分析;依据倾转过渡走廊和配平结果,选取五组状态工作点,设计出了一条合理的倾转过渡路径。第四章,针对新型无人倾转旋翼机过渡飞行中各通道间耦合严重的问题,采用隐模型跟踪法对内环姿态角速率回路实现解耦,依据经典的PID控制理论对外环姿态角和速度回路实现动态跟踪,通过时域仿真分析验证了控制器较好的解耦性。第五章,针对新型无人倾转旋翼机过渡飞行中控制器鲁棒性较差的问题,采用具有良好鲁棒解耦和动态跟踪特性的H回路成形控制技术,开展了飞行控制律设计与时域仿真分析,验证了控制器具备较好的鲁棒性,为新型无人倾转旋翼过渡状态的飞行控制设计奠定了基础。

关键词：无人倾转旋翼机飞行动力学倾转过渡隐模型跟踪 H∞回路成形控制律

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一种倾转四旋翼无人机及其过渡段姿态控制

兵工自动化 2018年第3期37卷 82-87页

作者：沈杨杨杨忠张翔李劲松南京航空航天大学自动化学院南京210016

为解决常规四旋翼无人机前飞速度慢、续航时间短、固定翼飞行器无法垂直起降和悬停的不足,设计一种小型倾转四旋翼QTR(quad tilt-rotor)无人机。建立QTR无人机的动力学模型,针对该无人机的过渡段姿态控制特点设计基于鲁棒伺服LQR控制理... 详细信息

为解决常规四旋翼无人机前飞速度慢、续航时间短、固定翼飞行器无法垂直起降和悬停的不足,设计一种小型倾转四旋翼QTR(quad tilt-rotor)无人机。建立QTR无人机的动力学模型,针对该无人机的过渡段姿态控制特点设计基于鲁棒伺服LQR控制理论的姿态控制器,针对QTR由垂直模式切换水平模式的过渡阶段设计控制策略,并通过仿真实验,对比传统控制方法进行验证。仿真结果表明:该无人机既兼顾传统四旋翼无人机的飞行功能,又能像固定翼飞行器一样进行长距离快速飞行。

关键词：倾转旋翼机鲁棒伺服LQR 倾转过渡

某小型无人倾转旋翼机飞行控制系统设计与仿真

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某小型无人倾转旋翼机飞行控制系统设计与仿真

作者：陆宜南京航空航天大学

学位级别：硕士

本文的内容主要有两部分:建立小型无人倾转旋翼机的非线性飞行动力学数学模型和设计小型无人倾转旋翼机倾转过渡过程的控制系统。首先基于叶素理论建立小型无人倾转旋翼机旋翼气力动模型,结合风洞试验数据建立机翼、机身、平尾和垂尾等... 详细信息

本文的内容主要有两部分:建立小型无人倾转旋翼机的非线性飞行动力学数学模型和设计小型无人倾转旋翼机倾转过渡过程的控制系统。首先基于叶素理论建立小型无人倾转旋翼机旋翼气力动模型,结合风洞试验数据建立机翼、机身、平尾和垂尾等部件的气力动模型,将各部分气动力模型组合成完整的倾转旋翼机非线性飞行动力学模型。通过模型配平分析求出小型无人倾转旋翼机短舱倾角-速度飞行包线。基于小扰动理论线化非线性模型,分析小型无人倾转旋翼机的稳定性和操纵性。设计一条由直升机模式过渡到飞机模式的倾转轨迹。根据线化模型利用H∞回路成形鲁棒控制方法设计小型无人倾转旋翼机姿态控制律,将倾转包线划分成几个控制区域,在姿态控制律基础上用PID控制方法设计速度回路控制律,提出不同区域控制器切换策略,完成小型无人倾转旋翼机全包线姿态控制、速度控制和倾转过渡过程的非线性仿真。

关键词：倾转旋翼机飞行力学建模 H∞回路成形控制倾转过渡非线性仿真