小型涵道式飞行器稳定性分析与流动控制研究

发布时间：2017-12-12 03:22

  本文关键词：小型涵道式飞行器稳定性分析与流动控制研究

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【摘要】：小型涵道式飞行器因其独特的气动结构以及控制方法,越来越受到人们的关注。近年来,各种不同应用领域的涵道式飞行器已经成为航空界研究发展的热点。小型涵道式飞行器结构紧凑、质量轻、飞行模态多样,但其抗干扰能力和快速机动能力较差,涵道体在侧风/阵风干扰环境下的稳定性控制及其在快速姿态转换过程中的控制方法设计是目前亟待解决的重要问题。本文针对课题组开发的小型涵道式飞行器样机在飞行试验中遇到的稳定性控制问题,从飞行器的气动特性研究入手,寻求从气动方向解决飞行器的稳定性控制问题的方法,引入新的控制方案,并明确解决思路。为此本文展开了以下研究工作:首先建立了小型涵道式飞行器动力学模型,依据基本飞行动力学原理,充分考虑小型涵道式飞行器机动飞行过程中的不同飞行姿态,分析整机的气动力和气动力矩,建立了适用于整个飞行过程的动力学模型,为结构设计与控制系统设计提供更全面的理论基础。在动力学分析的基础上,对小型涵道式飞行器整个机动飞行过程中的气动特性进行了数值计算,充分考虑到飞行器在应对侧风干扰和机动飞行过程中的不同飞行姿态,分别对不同飞行姿态下飞行器主要气动力和气动力矩进行了深入研究,并对涵道唇口绕流的流动特性进行了数值仿真,分析其对整机稳定性与机动性的影响,作为结构优化与流动控制的基础。随后本文针对影响飞行器稳定性和机动性的气动问题,采用结构布局优化和附加扰流片的被动式流动控制方案对涵道绕流进行引导、控制,充分利用涵道唇口在侧风干扰和机动飞行状态下的气流分离特性,对环境扰动下涵道体的稳定性控制提供辅助控制力矩,利用CFD数值仿真分析了被动流动控制方案的有效性,证明其可以作为辅助控制方法应用于小型涵道式飞行器的稳定性与机动性控制中。在充分研究被动式流动控制方案后,本文提出了运用合成射流技术建立涵道唇口的主动流动控制模型,设计了射流控制方案,进行了数值计算。仿真结果显示,唇口射流控制能够作为一种辅助控制方法应用于小型涵道式飞行器的姿态控制中,以实现增强其稳定性和机动性的作用。针对涵道尾缘流场的流动特性,本文运用流体的Coanda效应及其理论,建立涵道尾缘绕流控制模型,设计了控制方案,进行了相应的数值仿真。研究表明,涵道尾缘的射流控制方案所产生的气动力矩可以100%抵消飞行器侧风干扰下或进行机动飞行过程中产生的阻力矩,其快速响应能力将成为未来小型涵道式飞行器控制方案设计的一个重要发展方向。最后本文研究了小型涵道式飞行器近面飞行过程中的稳定性控制问题,分析了飞行器在近壁面/地面悬停或作机动飞行时,其气动特性受到外界环境的约束产生变化的规律,提出将涵道绕流控制应用于近面飞行状态下的稳定性控制中,并对其控制效果进行了验证。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V212
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本文编号：1280992