傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)建模方法研究.pdf

1、傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器是一種將直升機(jī)固有的垂直起降優(yōu)勢和固定翼螺旋槳飛機(jī)的高速度遠(yuǎn)航程性能融為一體的新型飛行器。傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器具有三種飛行模式:懸停和小速度前飛的直升機(jī)飛行模式、巡航和高速前飛的固定翼飛機(jī)飛行模式以及直升機(jī)飛行模式向固定翼飛機(jī)飛行模式轉(zhuǎn)換的傾轉(zhuǎn)飛行模式。傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的傾轉(zhuǎn)或反傾轉(zhuǎn)過程是在一定的飛行速度、傾轉(zhuǎn)角以及機(jī)體姿態(tài)角范圍內(nèi)進(jìn)行。本文主要研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器過渡飛行過程傾轉(zhuǎn)走廊的確定方法、傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器全飛行模式的非線性飛行

2、動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建模方法以及動(dòng)態(tài)傾轉(zhuǎn)過程的實(shí)現(xiàn)。
　　傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的傾轉(zhuǎn)走廊是指飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線。本文針對傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器過渡飛行中的變體、變速特點(diǎn)提出了一種確定傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器從直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式過渡的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線分析方法。該方法從低速段包線和高速段包線兩方面開展研究，分析傾轉(zhuǎn)過程中旋翼和機(jī)翼的氣動(dòng)力匹配關(guān)系，以機(jī)翼失速限制確定低速段的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線，以旋翼可用功率限制確定高

3、速段的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線。以XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器為樣機(jī)，計(jì)算分析其發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角度-速度包線，并分析旋翼參數(shù)和機(jī)翼參數(shù)對擴(kuò)展傾轉(zhuǎn)走廊的影響。
　　懸停和小速度飛行時(shí)，機(jī)翼處于旋翼尾跡中，旋翼和機(jī)翼之間強(qiáng)烈的氣動(dòng)干擾作用產(chǎn)生機(jī)翼的向下載荷，直接影響飛行器的懸停性能以及有效載荷。本文建立了一個(gè)計(jì)算旋翼尾跡沖擊機(jī)翼表面產(chǎn)生向下載荷的數(shù)學(xué)模型，考慮了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的幾何尺寸條件、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)角和飛行狀態(tài)等參數(shù)。本文建立的

4、這個(gè)考慮旋翼和機(jī)翼之間主要?dú)鈩?dòng)干擾作用的數(shù)學(xué)模型計(jì)算簡單有效，適用于傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器工程計(jì)算、飛行力學(xué)研究以及實(shí)時(shí)計(jì)算。
　　傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的飛行操縱系統(tǒng)是常規(guī)直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的混合。直升機(jī)模式的飛行操縱類似于橫列式直升機(jī)，固定翼飛機(jī)的操縱面（副翼、升降舵和方向舵）在所有飛行模式下都有效，在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙轉(zhuǎn)向固定翼飛機(jī)的過程中，旋翼的操縱逐漸停止。直升機(jī)和固定翼飛機(jī)混合而生的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的操縱策略非常復(fù)雜。本文研究了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器從

5、直升機(jī)飛行模式、過渡飛行模式到固定翼飛機(jī)飛行模式的操縱策略，保證了操縱桿的位移在限定范圍內(nèi)，飛行器的操縱和相應(yīng)的機(jī)體姿態(tài)保持連續(xù)和單調(diào)。
　　傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器飛行動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)的不同主要體現(xiàn)在需要增加旋翼的氣動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模型，旋翼和機(jī)體的氣動(dòng)干擾模型以及旋翼操縱系統(tǒng)。本文建立了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器旋翼、機(jī)翼、機(jī)身、平尾和垂尾的氣動(dòng)模型。集合傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的操縱策略，運(yùn)用最優(yōu)方法研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器在三個(gè)飛行模式下作穩(wěn)定對稱飛行時(shí)

6、的配平方法，得到配平結(jié)果以及飛行器對不同操縱方式的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后以XV-15傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器為例對所建模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果用通用傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器仿真模型結(jié)果以及可得到的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。
　　本文提出用動(dòng)態(tài)最優(yōu)方法開展傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器動(dòng)態(tài)傾轉(zhuǎn)過程的研究。根據(jù)動(dòng)態(tài)傾轉(zhuǎn)過程的目標(biāo)函數(shù)得到了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器由直升機(jī)模式向固定翼飛機(jī)模式過渡飛行過程中所需的操縱、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙傾轉(zhuǎn)及傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器的速度和姿態(tài)隨時(shí)間的變化歷程。該方法對于傾