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2021年  第6卷  第6期

目录
气体物理 第6卷 第6期 封面+目录
2021, 6(6): .
167 16
摘要:
序言
高速飞行器耦合稳定性设计专题序言
2021, 6(6): .
199 HTML 138 26
摘要:
高速飞行器耦合稳定性设计专题
高速飞行器失控成因及操稳判据发展综述
张静, 李华光, 郑宏涛, 唐鹏, 蔡巧言, 李贵成
2021, 6(6): 1-12. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0914
356 HTML 178 74
摘要:
首先介绍了高速飞行器设计所面临的静稳定裕度、航向操纵性、三通道耦合、安全边界等问题,进一步梳理了高速飞行器的失控成因,包括飞行环境、飞行姿态、控制耦合、惯性耦合、动力学耦合等因素,在此基础上,回顾了一系列适用于飞行器设计的典型抗失控判据,如横航向稳定性参数、动态航向稳定性参数、横/航向操纵偏离参数、Weissman组合判据、横向稳定性特征参数等.这些参数或判据不仅可以在设计初期预测气动布局的好坏及其对操稳特性的影响,帮助工程师改进气动布局以使飞行器获得最佳的性能,还可用来预测飞行器在当前气动布局下所需要的控制资源以帮助飞行器合理应对耦合的影响,最后在设计完成后还可用这些判据分析飞行器飞行过程中的稳定性以及控制策略的合理性.
无尾升力式飞行器Weissman判据图仿真
张石玉, 赵俊波, 张青青, 赵力宁, 高清
2021, 6(6): 13-19. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0876
248 HTML 146 29
摘要:
针对无尾升力式飞行器横航向气动耦合严重的问题,开展了Weissman判据在此类飞行器稳定性设计中的应用研究.采用调整布局的方法获得飞行器布局集,采用基于Newton理论的工程方法获得对应的气动数据集.运用飞行动力学仿真手段分析了飞行器在无控和副翼控制时的横航向飞行稳定性.结合仿真结果和Weissman判据分区规则获得飞行器Weissman判据图.研究表明,无尾升力式飞行器的关键设计点气动稳定性位于Weissman判据图的B区.文章的方法可用于再入机动飞行器的耦合稳定性设计.
升力体外形布局参数对横侧向耦合稳定性的影响分析
张青青, 张石玉, 赵俊波, 赵力宁
2021, 6(6): 20-28. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0920
237 HTML 251 48
摘要:
针对高速飞行器存在横侧向耦合易失控问题,建立了基于部件组合思想的CST几何外形参数化建模方法,以升力体外形为例,采用拉丁超立方试验设计方法和高速气动特性快速分析方法,分析了升力体主要布局参数对横侧向耦合稳定性参数开环动态偏离稳定判据(Cnβ,dyn)和闭环横向控制偏离判据(LCDP)的影响规律.升力体外形主导布局参数对横向操纵滚转反逆参数LCDP是二次非线性影响,横侧向稳定性的主导布局参数随着攻角变化有明显变化.文章为耦合稳定性影响规律研究建立了有效的分析方法,研究结论可为高超声速升力体式飞行器总体抗失控设计提供规律建议.
强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能
丁嘉元, 郑宏涛, 邵干, 唐鹏
2021, 6(6): 29-36. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919
257 HTML 140 36
摘要:
面对称飞行器具有强耦合、弱阻尼的特点,为实现其横航向模态的高效控制,对控制策略效能及高效控制策略选择判据进行了研究.通过建立稳定轴系下横航向耦合动力学模型,得到了模态特征简化表达式;分析了有效的模态控制策略,并推导了各控制策略的效能公式;通过对各控制策略效能的对比分析得到了耦合特征下的高效模态控制策略选择判据;最后通过根轨迹分析、模态特性评估与6自由度仿真进行验证,结果表明理论公式与分析仿真结果一致.高效模态控制策略选择判据能够准确表征不同控制策略的效能关系,可用于指导强耦合面对称飞行器横航向模态控制方案设计.
面对称高速飞行器横侧向耦合失控特性
孙春贞, 黄一敏
2021, 6(6): 37-43. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0913
290 HTML 140 27
摘要:
针对面对称高速飞行器滚转-偏航通道间存在的运动耦合、典型气动耦合和控制耦合,建立了耦合动力学模型,推导了耦合模态的数学描述;提出了基于滚转偏航/稳定比和副翼滚转/偏航操纵比的耦合模态分析方法,分析了副翼操纵对偏航通道的耦合影响程度;针对控制耦合引起的非最小相位特性,提出了基于偏航稳定力矩导数、副翼-偏航耦合力矩导数以及方向舵产生偏航力矩导数的控制耦合偏离边界条件,根据偏航稳定力矩导数、副翼-偏航耦合力矩导数的相对位置关系,确定控制耦合偏离区域,并分析了副翼控制滚转时的耦合失控特性.最后对失控特性进行了仿真验证,结果表明了耦合特性分析方法的有效性.
高速面对称飞行器总体抗失控设计方法
李华光, 张静, 郑宏涛, 蔡巧言, 李贵成
2021, 6(6): 44-51. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0916
210 HTML 111 31
摘要:
高速面对称飞行器大空域、宽速域和大攻角变化范围的飞行特点,导致失稳模式多、稳定性差、通道耦合严重、姿控难度大等系列问题,为飞行器的总体设计带来了很大挑战.文章针对高速面对称飞行器抗失控设计难题,基于耦合稳定性与可控特性理论研究,综合考虑总体多专业设计约束,发展了飞行器总体抗失控设计方法.通过该方法,可以获得多专业参数对总体性能与稳定特性的影响规律,进而对飞行器的总体性能、稳定性与可控性进行综合优化设计.
耦合失稳模式与控制策略综合验证技术
石伟, 张静, 郑宏涛, 蔡巧言, 李贵成
2021, 6(6): 52-58. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0918
282 HTML 129 30
摘要:
为实现宽速域大空域飞行,面对称布局逐渐成为新型航天飞行器的典型特征,随之而来的还有横航向耦合问题,以及由此导致的失稳现象等.文章阐述了新型航天飞行器横航向耦合问题的成因和研究重要性,给出了针对耦合失稳模式和新型控制策略的综合验证方案,通过CFD-RBD仿真方法验证了荷兰滚失稳模式和副翼操纵耦合失稳模式的正确性,通过风洞虚拟飞行试验技术验证了新型控制策略的有效性,它可降低舵偏需求45%以上.
研究论文
基于SPH方法的高速列车风阻制动板制动力研究
张硕果, 胡湘渝, 米彩盈
2021, 6(6): 59-72. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0823
202 HTML 56 20
摘要:
采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法建立了高速列车风阻制动板流固耦合二维数值模型,实现了对风阻制动板动态开启过程的数值模拟,分析了风阻制动板的运动规律、受力分布和气动阻力变化规律.结果表明:当车速为300 km/h,最大开启角度为90°时,制动板整个开启过程的动作时间约为0.025 s,满足紧急制动时的快速响应要求;制动板开启初期,板的受力有较大突变且呈梯度分布,易弯曲变形;制动板的整个开启过程中,制动板整体受力水平逐渐提高且保持均匀分布,制动板直角边缘处受力始终较其他部位大,具有良好的增阻效果;最大制动力出现在最大开启角度为75°~85°时,而非垂直开启时,建议将最大开启角度设置为80°以获得最大制动力.
初始角度对平板自由下落运动的影响
梁彬, 张石玉, 付增良
2021, 6(6): 73-82. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0848
176 HTML 26 22
摘要:
平板的自由下落是一个经典的流体力学-动力学耦合问题,且具有明显的非线性特性.针对二维平板自由下落的非线性特性,文章通过耦合求解N-S方程和运动方程,以期认识其非线性特征.从不同初始角度对平板自由下落状态和轨迹的影响出发,分析了运动状态的相轨线和频谱特性,以及其中的非线性系统特征.研究发现,在平板自由下落初期,不同初始角度下平板呈现不同的运动状态和轨迹,常为非周期性摆动或小幅翻滚运动.在自由下落后期,平板自由下落最终呈现周期性摆动或翻滚运动,运动模态归为一致,初始角度对该模态没有影响.