本文關(guān)鍵詞：小型涵道式飛行器穩(wěn)定性分析與流動(dòng)控制研究

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【摘要】：小型涵道式飛行器因其獨(dú)特的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)以及控制方法,越來越受到人們的關(guān)注。近年來,各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的涵道式飛行器已經(jīng)成為航空界研究發(fā)展的熱點(diǎn)。小型涵道式飛行器結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、飛行模態(tài)多樣,但其抗干擾能力和快速機(jī)動(dòng)能力較差,涵道體在側(cè)風(fēng)/陣風(fēng)干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性控制及其在快速姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的控制方法設(shè)計(jì)是目前亟待解決的重要問題。本文針對(duì)課題組開發(fā)的小型涵道式飛行器樣機(jī)在飛行試驗(yàn)中遇到的穩(wěn)定性控制問題,從飛行器的氣動(dòng)特性研究入手,尋求從氣動(dòng)方向解決飛行器的穩(wěn)定性控制問題的方法,引入新的控制方案,并明確解決思路。為此本文展開了以下研究工作:首先建立了小型涵道式飛行器動(dòng)力學(xué)模型,依據(jù)基本飛行動(dòng)力學(xué)原理,充分考慮小型涵道式飛行器機(jī)動(dòng)飛行過程中的不同飛行姿態(tài),分析整機(jī)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩,建立了適用于整個(gè)飛行過程的動(dòng)力學(xué)模型,為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更全面的理論基礎(chǔ)。在動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,對(duì)小型涵道式飛行器整個(gè)機(jī)動(dòng)飛行過程中的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,充分考慮到飛行器在應(yīng)對(duì)側(cè)風(fēng)干擾和機(jī)動(dòng)飛行過程中的不同飛行姿態(tài),分別對(duì)不同飛行姿態(tài)下飛行器主要?dú)鈩?dòng)力和氣動(dòng)力矩進(jìn)行了深入研究,并對(duì)涵道唇口繞流的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析其對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性與機(jī)動(dòng)性的影響,作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流動(dòng)控制的基礎(chǔ)。隨后本文針對(duì)影響飛行器穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的氣動(dòng)問題,采用結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化和附加擾流片的被動(dòng)式流動(dòng)控制方案對(duì)涵道繞流進(jìn)行引導(dǎo)、控制,充分利用涵道唇口在側(cè)風(fēng)干擾和機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)下的氣流分離特性,對(duì)環(huán)境擾動(dòng)下涵道體的穩(wěn)定性控制提供輔助控制力矩,利用CFD數(shù)值仿真分析了被動(dòng)流動(dòng)控制方案的有效性,證明其可以作為輔助控制方法應(yīng)用于小型涵道式飛行器的穩(wěn)定性與機(jī)動(dòng)性控制中。在充分研究被動(dòng)式流動(dòng)控制方案后,本文提出了運(yùn)用合成射流技術(shù)建立涵道唇口的主動(dòng)流動(dòng)控制模型,設(shè)計(jì)了射流控制方案,進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。仿真結(jié)果顯示,唇口射流控制能夠作為一種輔助控制方法應(yīng)用于小型涵道式飛行器的姿態(tài)控制中,以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)其穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性的作用。針對(duì)涵道尾緣流場(chǎng)的流動(dòng)特性,本文運(yùn)用流體的Coanda效應(yīng)及其理論,建立涵道尾緣繞流控制模型,設(shè)計(jì)了控制方案,進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值仿真。研究表明,涵道尾緣的射流控制方案所產(chǎn)生的氣動(dòng)力矩可以100%抵消飛行器側(cè)風(fēng)干擾下或進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行過程中產(chǎn)生的阻力矩,其快速響應(yīng)能力將成為未來小型涵道式飛行器控制方案設(shè)計(jì)的一個(gè)重要發(fā)展方向。最后本文研究了小型涵道式飛行器近面飛行過程中的穩(wěn)定性控制問題,分析了飛行器在近壁面/地面懸停或作機(jī)動(dòng)飛行時(shí),其氣動(dòng)特性受到外界環(huán)境的約束產(chǎn)生變化的規(guī)律,提出將涵道繞流控制應(yīng)用于近面飛行狀態(tài)下的穩(wěn)定性控制中,并對(duì)其控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V212
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本文編號(hào)：1280992