飛行器氣動/控制一體化機動飛行的數值模擬研究
發(fā)布時間：2022-01-11 20:02
現代先進飛行器追求大攻角快速機動能力,以迅速改變機頭指向,取得有利的作戰(zhàn)姿勢。然而,飛行器在大攻角飛行或快速機動時,氣動力呈現強烈的非線性、非定常特征。如何在機動布局設計時就考慮氣動力非定常效應的影響,或者在控制系統設計中進行有效的補償,沒有形成統一的指導準則。發(fā)展飛行器氣動/控制一體化機動飛行的數值模擬技術,通過建立非定常流場求解、飛行器運動和飛行控制一體化的耦合模擬方法,可實時模擬飛行器的機動過程。由于充分考慮了氣動力非定常效應（包括非定常流動、飛行器運動、控制舵偏轉等）對控制系統的影響,特別適用于研究飛行器大攻角飛行或快速機動時的非定常氣動力現象,評估非定常氣動力作用下的控制系統性能。對縮短飛行器研制周期,減少對飛行試驗的依賴具有重要意義。本文針對飛行器氣動/控制一體化機動飛行數值模擬的五個方面的關鍵技術開展研究,發(fā)展了非定常流動的數值模擬方法,建立了動態(tài)重疊網格技術、六自由度耦合運動模擬技術,發(fā)展了以諧波平衡法為基礎的動導數快速預測技術,建立了CFD與PID控制器的耦合模擬技術,最終形成飛行器氣動/控制一體化機動飛行數值模擬的方法體系和軟件平臺。以方形截面飛行器為研究對象,開展...
【文章來源】：中國空氣動力研究與發(fā)展中心四川省
【文章頁數】：235 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
飛行器大攻角飛行時的分離流場結構
學位論文 飛行器氣動/控制一體化機動飛行的數值及控制系統的評估問題，美國阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）在 9擬飛行試驗技術（Virtual Flight Test）[7-9]的概念，力圖在地面風洞器在大氣環(huán)境中的真實飛行過程。試驗過程中，將模型安裝在一撐系統上，該系統允許試驗模型自由轉動。自動駕駛儀（Autopilot，控制指令傳輸到控制作動器（Control Actuator），控制作動器啟控制作動器運動而改變飛行姿態(tài)。風洞數據采集系統（Data Ater）實時采集飛行器運動過程中的動態(tài)氣動力，并由傳感器（Sens飛行姿態(tài)，以上信息反饋給自動駕駛儀。自動駕駛儀更新控制指令作動器，如此循環(huán)往復，模型就在風洞中虛擬“飛行”[4,5]，實現了對程的模擬。通過這種地面模擬試驗就可一體化地驗證和評估氣動布的設計性能。
圖 1.3AEDC 風洞虛擬飛行試驗現場風洞虛擬飛行試驗在蓬勃發(fā)展的同時，自身也存在難以克服的困難。首先，由于風洞試驗段尺寸的限制，只能以縮比模型進行風洞試驗，因而必須滿足相似準則，得到的試驗數據才能應用于真實飛行器，但風洞試驗的馬赫數和雷諾數均有一定的限制，難以實現所有的相似參數與實際飛行的一致性[24]。其次，風洞支撐系統目前只支持三個方向的自由轉動，限制了三個方向的平移運動，或只能進行限定范圍內的平移運動，且風洞試驗的馬赫數是固定的，因而難以模擬變速度機動飛行，而真實的過失速機動動作，如“眼鏡蛇”機動等，往往伴隨著前飛速度迅速減小的問題。最后，虛擬飛行試驗的技術復雜，實現難度很高，并且在超聲速和高超聲速風洞中，由于縮比模型難以安裝舵面等操縱機構，一般只能進行不耦合控制律的虛擬飛行試驗。為了克服風洞虛擬飛行試驗中存在的不利因素，數值虛擬飛行（Virtual FlightSimulation）的概念被提出。它是指耦合了 CFD 數值模擬方法，飛行力學和飛行控制、結構動力學等多學科、一體化的耦合模擬技術。以俯仰姿態(tài)控制為例，其具體實現過程為（圖 1.4）：首先，飛行器的實際飛行姿態(tài)與目標值進行比較，產生誤差信號，控制器根據誤差信號產生控制信號（舵面偏轉量）；然后，應用動網格
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于非線性諧波法的跨聲速壓氣機確定應力建模[J]. 趙軍,劉寶杰. 航空動力學報. 2015(10)
[2]用于非定常流動的諧波平衡方法研究[J]. 馬燦,蘇欣榮,袁新. 工程熱物理學報. 2015(04)
[3]飛行器氣動/飛行/控制一體化耦合模擬技術[J]. 李鋒,楊云軍,劉周,豆國輝,周偉江. 空氣動力學學報. 2015(02)
[4]基于時間譜方法的飛行器動導數高效計算技術[J]. 謝立軍,楊云軍,劉周,周偉江. 航空學報. 2015(06)
[5]虛擬飛行中氣動、運動和控制耦合的數值模擬技術[J]. 張來平,馬戎,常興華,趙鐘,赫新. 力學進展. 2014(00)
[6]2.4m×2.4m跨聲速風洞虛擬飛行試驗天平研制[J]. 向光偉,謝斌,趙忠良,王超,王杰. 實驗流體力學. 2014(01)
[7]諧波平衡法在動導數快速預測中的應用研究[J]. 陳琦,陳堅強,袁先旭,謝昱飛. 力學學報. 2014(02)
[8]諧波平衡法在旋翼前飛繞流數值模擬中的應用研究[J]. 許建華,宋文萍,王龍. 空氣動力學學報. 2013(05)
[9]諧波平衡法在非定常流場中的應用[J]. 陳琦,陳堅強,謝昱飛,袁先旭. 航空學報. 2014(03)
[10]風洞虛擬飛行試驗控制系統設計[J]. 陳星陽,鄭鵾鵬. 彈箭與制導學報. 2013(06)
博士論文
[1]風洞虛擬飛行試驗相似準則和模擬方法研究[D]. 李浩.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2012
[2]飛行器多自由度耦合搖滾運動數值模擬研究[D]. 楊小亮.國防科學技術大學 2012
[3]雙三角翼非定常分離流動的數值模擬研究[D]. 陳亮中.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[4]基于非結構網格方法的重疊網格算法研究[D]. 田書玲.南京航空航天大學 2008
碩士論文
[1]螺旋槳/機翼氣動干擾的數值模擬研究[D]. 白方兵.南京航空航天大學 2014
[2]重疊網格技術及在復雜彈箭流場中的應用[D]. 唐振華.南京理工大學 2010
[3]風洞虛擬飛行試驗中的飛行力學與控制問題研究[D]. 呂光男.南京航空航天大學 2009
[4]飛行器俯仰運動及其舵面控制數值模擬研究[D]. 陳琦.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[5]采用滑移網格的二維非定常NS方程數值計算[D]. 周瑜.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[6]多種多塊網格生成技術在復雜流動數值模擬中的應用[D]. 郝海兵.西北工業(yè)大學 2007
[7]重疊網格自動處理技術及其應用[D]. 龐宇飛.國防科學技術大學 2005
本文編號：3583376
【文章來源】：中國空氣動力研究與發(fā)展中心四川省
【文章頁數】：235 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
飛行器大攻角飛行時的分離流場結構
學位論文 飛行器氣動/控制一體化機動飛行的數值及控制系統的評估問題，美國阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）在 9擬飛行試驗技術（Virtual Flight Test）[7-9]的概念，力圖在地面風洞器在大氣環(huán)境中的真實飛行過程。試驗過程中，將模型安裝在一撐系統上，該系統允許試驗模型自由轉動。自動駕駛儀（Autopilot，控制指令傳輸到控制作動器（Control Actuator），控制作動器啟控制作動器運動而改變飛行姿態(tài)。風洞數據采集系統（Data Ater）實時采集飛行器運動過程中的動態(tài)氣動力，并由傳感器（Sens飛行姿態(tài)，以上信息反饋給自動駕駛儀。自動駕駛儀更新控制指令作動器，如此循環(huán)往復，模型就在風洞中虛擬“飛行”[4,5]，實現了對程的模擬。通過這種地面模擬試驗就可一體化地驗證和評估氣動布的設計性能。
圖 1.3AEDC 風洞虛擬飛行試驗現場風洞虛擬飛行試驗在蓬勃發(fā)展的同時，自身也存在難以克服的困難。首先，由于風洞試驗段尺寸的限制，只能以縮比模型進行風洞試驗，因而必須滿足相似準則，得到的試驗數據才能應用于真實飛行器，但風洞試驗的馬赫數和雷諾數均有一定的限制，難以實現所有的相似參數與實際飛行的一致性[24]。其次，風洞支撐系統目前只支持三個方向的自由轉動，限制了三個方向的平移運動，或只能進行限定范圍內的平移運動，且風洞試驗的馬赫數是固定的，因而難以模擬變速度機動飛行，而真實的過失速機動動作，如“眼鏡蛇”機動等，往往伴隨著前飛速度迅速減小的問題。最后，虛擬飛行試驗的技術復雜，實現難度很高，并且在超聲速和高超聲速風洞中，由于縮比模型難以安裝舵面等操縱機構，一般只能進行不耦合控制律的虛擬飛行試驗。為了克服風洞虛擬飛行試驗中存在的不利因素，數值虛擬飛行（Virtual FlightSimulation）的概念被提出。它是指耦合了 CFD 數值模擬方法，飛行力學和飛行控制、結構動力學等多學科、一體化的耦合模擬技術。以俯仰姿態(tài)控制為例，其具體實現過程為（圖 1.4）：首先，飛行器的實際飛行姿態(tài)與目標值進行比較，產生誤差信號，控制器根據誤差信號產生控制信號（舵面偏轉量）；然后，應用動網格
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于非線性諧波法的跨聲速壓氣機確定應力建模[J]. 趙軍,劉寶杰. 航空動力學報. 2015(10)
[2]用于非定常流動的諧波平衡方法研究[J]. 馬燦,蘇欣榮,袁新. 工程熱物理學報. 2015(04)
[3]飛行器氣動/飛行/控制一體化耦合模擬技術[J]. 李鋒,楊云軍,劉周,豆國輝,周偉江. 空氣動力學學報. 2015(02)
[4]基于時間譜方法的飛行器動導數高效計算技術[J]. 謝立軍,楊云軍,劉周,周偉江. 航空學報. 2015(06)
[5]虛擬飛行中氣動、運動和控制耦合的數值模擬技術[J]. 張來平,馬戎,常興華,趙鐘,赫新. 力學進展. 2014(00)
[6]2.4m×2.4m跨聲速風洞虛擬飛行試驗天平研制[J]. 向光偉,謝斌,趙忠良,王超,王杰. 實驗流體力學. 2014(01)
[7]諧波平衡法在動導數快速預測中的應用研究[J]. 陳琦,陳堅強,袁先旭,謝昱飛. 力學學報. 2014(02)
[8]諧波平衡法在旋翼前飛繞流數值模擬中的應用研究[J]. 許建華,宋文萍,王龍. 空氣動力學學報. 2013(05)
[9]諧波平衡法在非定常流場中的應用[J]. 陳琦,陳堅強,謝昱飛,袁先旭. 航空學報. 2014(03)
[10]風洞虛擬飛行試驗控制系統設計[J]. 陳星陽,鄭鵾鵬. 彈箭與制導學報. 2013(06)
博士論文
[1]風洞虛擬飛行試驗相似準則和模擬方法研究[D]. 李浩.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2012
[2]飛行器多自由度耦合搖滾運動數值模擬研究[D]. 楊小亮.國防科學技術大學 2012
[3]雙三角翼非定常分離流動的數值模擬研究[D]. 陳亮中.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[4]基于非結構網格方法的重疊網格算法研究[D]. 田書玲.南京航空航天大學 2008
碩士論文
[1]螺旋槳/機翼氣動干擾的數值模擬研究[D]. 白方兵.南京航空航天大學 2014
[2]重疊網格技術及在復雜彈箭流場中的應用[D]. 唐振華.南京理工大學 2010
[3]風洞虛擬飛行試驗中的飛行力學與控制問題研究[D]. 呂光男.南京航空航天大學 2009
[4]飛行器俯仰運動及其舵面控制數值模擬研究[D]. 陳琦.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[5]采用滑移網格的二維非定常NS方程數值計算[D]. 周瑜.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 2009
[6]多種多塊網格生成技術在復雜流動數值模擬中的應用[D]. 郝海兵.西北工業(yè)大學 2007
[7]重疊網格自動處理技術及其應用[D]. 龐宇飛.國防科學技術大學 2005
本文編號：3583376
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