冲压式翼伞后缘下拉气动特性的数值研究

冲压式翼伞后缘下拉气动特性的数值研究

李扬[1]2004年在《冲压式翼伞后缘下拉气动特性的数值研究》文中研究指明本文基于Navier-Stokes方程,采用非定常流动的预处理方法,求解了翼伞在后缘下拉条件下的二维和叁维气动力特性。 首先介绍了预处理方法的发展概况和基本理论,并针对定常和非定常两类粘性流动问题推导了适用于全马赫数范围的预处理方法的具体公式;预处理方法通过在时间导数项前乘以预处理矩阵的方式改变方程组的特征值,从而消除系统在低马赫数和不可压流动问题中出现的数值刚性。为保证预处理方程的计算效率和时间精度,这里采用了双时间步的多重迭代格式;然后,用非定常问题的预处理方法,求解冲压式翼伞前缘开口的二维翼型在不同攻角来流条件下的气动特性。前缘开口导致流动成为非定常,升力显着下降而阻力上升。翼伞内部的气流几乎滞止,其高压是维持翼伞形状的主因。计算得到的升阻比与实验数据吻合很好。计算还发现了冲压式翼伞气动力的脉动特性,以及产生脉动的根源——前缘切口诱导的上翼面周期性旋涡脱落过程;而后,用上述非定常问题的预处理方法研究了后缘下拉程度、来流攻角变化以及前缘切口的开/闭假设对翼伞气动特性的影响,并得出如下结论:①后缘下拉幅度的增加使升力和阻力同时增大;②攻角在0°到15°范围内增大时,升力和阻力均增大;③数值计算与实验结果在比特性方面较一致,而升、阻力数值上还存在一定的误差。分析误差来源主要是计算采用的外形与实际的实验模型存在差异;最后,对Langley柔性翼伞模型后缘下拉时的叁维流场进行了数值模拟,发现叁维模型计算的气动力与实验的吻合程度显着好于上述二维方法。

刘媛, 闫建国, 李明君, 屈耀红[2]2017年在《冲压式翼伞气动性能研究》文中研究指明随着计算流体动力学(CFD)的发展、空投系统以及航天器回收过程对定点回收精度要求的提高,精确计算冲压式翼伞的气动参数必不可少。首先,采用有限体积元法求解N-S湍流模型的κ-ε控制方程,对NASA兰利研究中心采用的叁维翼伞进行了气动性能分析,验证了方法的可行性;然后将该方法应用于某型翼伞中,分析了翼伞周围的绕流特性,得到了不同迎角来流条件以及伞衣后缘不同程度下偏的气动力数据,为翼伞系统的数学建模提供了准确的参数,从而克服了传统经验公式获得气动参数不准确的缺点。

冯云明[3]2014年在《翼伞设计及其气动性能研究》文中指出翼伞尽管因其优良的气动性能得到广泛的应用,但是针对翼伞的研究成果却远远低于以圆伞为代表的弹道型伞的研究成果,对于翼伞的理论研究主要集中在气动性能计算、飞行特性研究、归航轨迹控制几个方面,气动性能计算则往往将翼伞结构做了很大的简化,和实际情况相差甚远,特别是高滑翔比翼伞的设计和理论研究在国内更是空白。本文基于高滑翔比翼伞的设计目标,在广泛调研文献的基础上,对影响翼伞气动性能的最重要部件——翼型进行了选择,并对其进行了气动性能数值分析,通过该方法研究了基础翼型在不同攻角来流条件下的气动特性,考察了网格和流场域的敏感性以及数值方法的正确性。提出了翼伞翼型的改制方案,并通过数值研究方法确定了翼伞翼型最优前缘切口尺寸参数。然后根据实际要求,对翼伞伞衣结构外形、伞衣面积、伞绳、操纵绳、叁角幅及稳定幅等进行了具体结构设计。在此基础上,基于CFD方法对所设计翼伞进行了数值计算,研究了不同攻角下翼伞周围与内部流场,伞衣表面的压力分布;并研究了翼伞的“鼓包”外形对其气动性能的影响,获得了有效的气动力数据,总结了一般性翼伞变形与气动力参数之间的关系,研究变化规律。最后,对本文设计的翼伞进行了模型抛投试验和风洞试验。通过抛投试验观察该设计翼伞具有很好的滑翔性能及充气效果;通过风洞试验考察了翼伞的展开过程,并获得了设计翼伞在一定攻角下各个轴上的力和力矩。

辛久元[4]2013年在《翼伞空投系统伞绳伺服控制研究》文中指出空投是各个国家部署人员、弹药和装备的重要方法。随着可控翼伞的出现,精确空投系统正在逐步被开发利用,为各国军队提供快速,准确,安全的空投提供保障。翼伞精确空投系统的研发也倍受各个国家的重视,我国与发达国家相比起步比较晚,相关精确空投装备比较少,基于此,本文对翼伞空投系统伞绳伺服控制进行相应研究。本课题结合精确空投系统的国内外发展现状,选取小型翼伞系统进行方案设计,对小型翼伞空投系统进行建模、分析不同状态下对控制伞绳的操作,对伞绳进行运动学和动力学分析,得出运动规律,选取合适电机和减速器,进行P1D控制研究。首先,研究美军联合精确空投系统(Joint Precision Airdrop System,JPADS),以此为依据进行精确空投系统设计,确定翼伞规格,根据系统方案确定系统构成,选择相应的部组件。其次,将翼伞和空投物看作刚性连接的整体,忽略空投物与伞体之间的相对动,对完全张满后的可控翼伞系统进行运动学和动力学进行分析,并建立运动学方程和动力学方程。接着,对翼伞系统进行操纵控制时控制伞绳进行运动受力分析,求得功率曲线,以此为依据选取电机和减速器。建立的翼伞的SimMechanics模型,与电机、减速器和翼伞控制伞绳组成一个PID控制系统,并进行仿真分析。最后,针对翼伞系统的航迹控制分别采用了基本模糊控制器控制方法和模糊自校正航迹控制方法进行控制。仿真结果表明在气流干扰条件下自校正模糊控制器和基本模糊控制器都能控制翼伞实时调整航向驶向目标航迹的转向节点以实现航迹保持。同时自校正模糊控制器相对于基本模糊控制器对气流扰动的适应性更强并且具有更好的控制效果。

陆伟伟, 张红英, 连亮[5]2015年在《大型翼伞的叁维气动性能分析》文中研究表明随着回收物质量的增加和回收物可控定点回收要求的提出,大型翼伞的设计研究迫在眉睫。文章采用有限体积法求解K-epsilon二方程湍流模型下的Navier-Stokes(N-S)方程,对某大型翼伞进行叁维定常数值模拟,研究考虑伞衣鼓包下翼伞的气动性能,同时对翼伞单侧后缘下拉情况下(翼伞转弯过程)的气动性能进行初步分析。结果表明,翼伞的升力系数随迎角的增大而增加,达到失速迎角后缓慢降低。翼伞阻力系数在负迎角时随迎角增大而缓慢降低,而在正迎角时随迎角增大而增加。翼伞升阻比开始时随迎角增大而增加,在迎角等于8°时达到最大值后随迎角增大而逐渐降低。同时,单侧后缘下拉翼伞相比普通翼伞升力与阻力系数均有所增加,但其最大升阻比却有所减小。

熊菁[6]2005年在《翼伞系统动力学与归航方案研究》文中研究说明翼伞系统可用于实现精确空投和“定点无损”着陆,在军事、航空航天等领域有着广阔的应用前景。目前翼伞系统已成为空投和回收领域研究的热点,但理论研究的水平还远不能满足工程应用的需求。国内对翼伞的研究与国外相比还有很大差距。本文以“实现翼伞系统自主、准确归航”为中心,采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对翼伞系统动力学、航迹规划和跟踪控制问题进行了比较系统深入的研究,得到了若干有意义的结论。分别建立六自由度刚性连接模型、八自由度刚性铰接模型和十二自由度非刚性连接模型,着重分析了系统的基本运动特性、回收物-伞体间的相对运动特性,以及主要设计参数对系统性能的影响;并将不同复杂程度的模型进行对比,分析了各种模型的特点和适用范围。这些研究工作对翼伞系统的设计、工作过程的分析等提供了参考和理论依据。利用最优控制原理对翼伞系统的归航问题进行了研究,并对其特点进行了分析和总结。在最优控制的求解中,提出了向风坐标系转化、无量纲化等解前分析的思想,简化了计算,方便了加权因子的选择,使目标点可达与不可达的翼伞系统归航轨迹最优控制问题得到了统一的求解。提出了翼伞系统归航轨迹的分段设计方案,按高度冗余、高度适中和欠高度叁种情况给出了不同的归航轨迹分段设计方法,并且探讨了对应的判断准则。在对分段归航轨迹的优化中,提出了改进自适应遗传算法,该算法通过增加“强化”算子、改进对种群“早熟”程度评价指标等,有效地提高了收敛速度、避免了“早熟”现象。分段归航充分利用了翼伞系统稳定滑翔和转弯运动的飞行特性,操纵过程简单,工程上也易实现。基于Frenet坐标系推导和建立了翼伞系统线性时不变的误差方程,并运用“投影点”的思想来获得Frenet坐标系下偏差量的解析近似表达式,从而设计了用于翼伞系统航迹跟踪的传统PD控制器和增益调节型模糊PD控制器。同时,基于翼伞系统基本运动特性,提出了一系列有针对性的控制策略,其中重要的一条是,将平均风的影响在轨迹归航中修正,而大气紊流的影响作为干扰由控制器来补偿。仿真结果表明,建立的控制器和控制策略是可行的,两者结合能有效地提高翼伞系统的抗风性能和着陆精度。本文的工作可为翼伞系统的设计、分析,以及相关问题研究提供参考。

郑成[7]2011年在《翼伞飞行运动建模与翼伞空投控制技术研究》文中指出翼伞系统的高滑翔特性和可控特性,使得翼伞系统已成为空投领域研究的热点。目前国内对翼伞的研究与国外相比还有很大差距。本文采用理论分析与数值仿真相结合的方法,对翼伞空投系统动力学、轨迹规划和跟踪问题进行了比较深入的研究。本文建立了翼伞系统六自由度非线性数学模型和Simulink下的飞行运动仿真模型,着重分析了翼伞系统的基本运动特性,以及主要设计参数对系统性能的影响,对研究翼伞空投系统的工作过程和控制技术提供了理论依据。为了实现翼伞系统的准确、安全着陆,根据翼伞系统自身的可操纵性和基本运动特性,本文对翼伞系统的归航策略作了深入研究,并设计了翼伞空投系统的分段归航轨迹。利用各段轨迹的几何关系将轨迹优化问题转化为参数优化问题,并对基本遗传算法进行了改进,运用新的改进自适应遗传算法(IAGA)进行了有效的求解,提高了收敛速度,避免了“早熟”现象。本文分别采用了两种方法对翼伞空投系统的控制技术进行了研究。一种方法是根据翼伞系统线性时不变的误差方程,直接进行轨迹控制器的设计,本文基于这种思想设计了模糊自适应PID控制器。另一种方法是采用传统飞行器轨迹控制设计方法,将整个控制器分为姿态稳定内回路和质心运动外回路,本文采用模糊滑模控制的方法对姿态稳定内回路做了深入研究。最后,在VC++的编程环境下,结合开放性图形开发库OpenGL和叁维模型制作工具MilkShape 3D,开发了翼伞空投系统的叁维视景软件。

陶金[8]2017年在《复杂环境下翼伞系统的建模与归航控制研究》文中进行了进一步梳理翼伞系统是利用冲压型翼伞提供升力的一类特殊的柔翼飞行器,具有良好的滑翔性与操控性,因而在军事、民用、航空航天等领域有着广泛的应用前景。翼伞系统的精确建模和控制,涉及到数学、力学、计算机、控制等多个领域和学科,是一项极富挑战性的工作。本文以实现翼伞系统在风雨复杂环境下的建模和精确归航为目的,采用理论分析、数值仿真和空投实验相结合的方法,对翼伞系统动力学、归航轨迹规划和轨迹跟踪控制问题进行了深入研究。文章的主要创新工作如下:(1)采用计算流体动力学技术模拟翼伞在风雨复杂环境中飞行,通过网格速度模拟风场,多相流模拟降雨,动网格动态捕捉翼伞姿态,分析风雨环境因素翼伞气动性能的影响。在翼伞气动方程中引入雨膜影响因子、风雨荷载以及风雨等效作用点,建立翼伞系统在风雨复杂环境下的八自由度动力学模型。仿真实验研究风雨复杂环境下翼伞系统的动力学特性,空投实验进一步验证所建立模型的有效性。(2)将翼伞系统最优归航轨迹规划问题归纳为一类标准的最优控制问题。经过归一化、控制率参数化等一系列解前处理,针对问题的求解,采用两种方法来处理。第一种方法是将该问题归纳为一类具有约束的最优控制问题,采用一种具有精英策略的遗传算法进行轨迹寻优。第二种方法是将此问题视为一类多目标规划问题,采用基于帕累托解的带精英策略的非劣排序遗传算法来求解。仿真实验验证两种方法的可行性。(3)将经典翼伞空投系统分段归航轨迹设计方法扩展到动力翼伞系统中,提出一套翼伞系统在可行性区域和不可行性区域的都可实现精确归航的分段归航轨迹规划方法。将整个归航轨迹按照不同的阶段和特点进行分段,根据最终着陆的要求对各阶段的参数采用改进的量子遗传算法进行优化。仿真实验验证分段归航轨迹规划方法的可行性。(4)首先借鉴基于制导的轨迹跟踪概念,提出针对翼伞空投系统的二维轨迹跟踪策略和适用于动力翼伞系统的叁维轨迹跟踪策略。然后据此设计基于自抗扰控制的横向轨迹跟踪控制器和针对动力翼伞系统的纵向高度控制器,并证明了控制系统的收敛性。此外,引入蒙特卡洛技术分析复杂环境干扰和模型参数不确定时的系统鲁棒性。最后,通过仿真分析了对翼伞系统在复杂多干扰环境下的轨迹跟踪性能,并通过空投实验验证翼伞空投系统轨迹跟踪控制策略的有效性。(5)将翼伞系统的定点归航问题视为一个完整的任务,归航即控制翼伞系统跟踪规划好的归航轨迹实现定点归航和迎风雀降着陆。针对动力翼伞系统在任意空域的定点归航,提出一套动力翼伞系统在可行区域和不可行区域的任意空域范围内都可胜任定点归航任务的控制方法。针对翼伞空投系统在较大风场中的定点归航问题,提出翼伞空投系统在较大风场中的归航控制方法,有效提高翼伞空投系统在较大风场环境下的抗风性能和归航精度。针对翼伞空投系统在未知风场中的定点归航,提出一种仅利用GPS数据进行风场辨识的方法,基于辨识风场信息规划归航轨迹,实现翼伞空投系统在未知风场环境下的精确定点归航。

高海涛[9]2014年在《翼伞系统自主归航航迹规划与控制研究》文中提出翼伞具有良好的操纵性能和滑翔性能,其与自动控制系统相结合为实现翼伞系统的自主归航提供了可能,也将为翼伞系统的应用开辟更广泛的空间。实现翼伞系统的自主归航,涉及到纺织、力学、计算机、控制等多个领域或学科,是一项复杂的任务,其自主归航的精确性受到模型精确性、导航质量、控制精度特别是风场干扰等因素的影响,文章主要对翼伞系统的运动特性、风场辨识、风场预测、轨迹(航迹)规划、航迹跟踪控制问题进行系统的研究,提出了一些新的观点和方法,取得了一些研究成果。文章所做主要创新工作如下:(1)提出了一种适用于翼伞系统自主归航的在线风场辨识方法,将翼伞系统的飞行状态分为直线滑翔和转弯两种情况,研究其受风影响前后的飞行轨迹变化,建立风场辨识模型。借助大气动力学相关理论,建立了广义上部摩擦层风廓(风场)计算公式,并结合所建立的翼伞系统风场辨识模型,提出并建立了翼伞系统在线风场预测模型,并将预测风场与实测风场信息进行仿真对比,验证了该预测模型正确性,为实现翼伞系统对其周围风场的在线辨识提供了具体方法。(2)鉴于高斯伪谱法具有求解精度高、收敛速度快等优点,提出将高斯伪谱法应用到翼伞自主归航系统的轨迹优化中,仿真验证了该方法的可行性。对翼伞系统在双侧等量和差量控制条件下的运动特性进行了研究和分析,所得结论为单电机控制或双电机异常工作条件下的翼伞自主归航系统的设计提供了理论支撑。针对翼伞系统归航过程中的异常工况,提出归航轨迹容错设计方法,建立了翼伞系统异常工作条件下的叁自由度质点模型,并确立了该条件下的目标函数、各种约束条件,结合高斯伪谱法规划最优轨迹。(3)结合差分进化和量子进化两种算法的寻优优点,兼顾翼伞系统在线寻优需求,提出了辅助种群量子差分进化算法,确立了性能评价指标,并通过多个测试函数,将辅助种群量子差分进化算法的寻优性能与差分进化算法进行对比,结果表明该算法寻优性能优于差分进化算法,具有很强的全局和局部搜索能力。将辅助种群量子差分进化算法应用到翼伞系统分段归航的轨迹规划中,在求解翼伞系统分段轨迹参数的最优解时,快速收敛并表现出了很强的鲁棒性。(4)对翼伞系统自主归航时的航迹跟踪控制进行了研究。针对导航系统工作过程中的不足,结合横向轨迹误差法和视线跟踪法,设计了一种基于数据扩充的线性自抗扰控制器,用于翼伞系统的轨迹跟踪控制,仿真结果表明,在该控制器作用下翼伞系统能够很好跟踪跟踪预定轨迹,具有较好的抗干扰能力。

王祥[10]2015年在《软翼无人机的数学模型与控制算法研究》文中进行了进一步梳理软翼无人机是一种新型无人机,由柔性翼伞通过绳索悬挂带有动力发生装置的无人车构成。由于其结构简单、负载比重大且对起飞降落条件要求低,使之在某些任务执行方面具备了其他种类飞行器难以比拟的优势,这也使其在军用和民用领域都有着广泛的应用前景。但是,由于软翼无人机空气动力学平面柔性特征以及机体内部非刚性连接等特点,使之存在附加质量、柔性结构和内部相对运动,这给软翼无人机的深入研究带来很大障碍。目前,国外针对软翼无人机的研究在数学建模和飞行试验等方面已取得了初步进展。而国内则刚刚起步,较国外还有较大差距,在许多方面的研究都有待进一步深入。本文针对中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的软翼无人机,对基于系统辨识的“灰箱”建模方法进行了研究,在得到辨识模型的基础上,用经典PID控制算法设计飞行控制器。从以下四部分对软翼无人机进行研究。首先,对软翼无人机进行机理建模,建立其六自由度运动方程,并通过解耦线性化、经过拉普拉斯变换后得到传递函数模型,为软翼无人机的模型辨识提供先验知识。其次,设计软翼无人机辨识实验,包括输入信号设计,采集原始飞行数据,并对飞行数据进行预处理。然后,基于机理建模的先验知识,利用最小二乘的辨识算法,辨识得到软翼无人机单通道数学模型,并用其它飞行数据进行模型交叉验证。最后,基于辨识得到的软翼无人机数学模型,用经典PID控制算法设计软翼无人机的纵向控制器与横侧向控制器,并进行数值仿真与航迹控制飞行仿真验证控制算法的有效性。

参考文献:

[1]. 冲压式翼伞后缘下拉气动特性的数值研究[D]. 李扬. 国防科学技术大学. 2004

[2]. 冲压式翼伞气动性能研究[J]. 刘媛, 闫建国, 李明君, 屈耀红. 飞行力学. 2017

[3]. 翼伞设计及其气动性能研究[D]. 冯云明. 南京航空航天大学. 2014

[4]. 翼伞空投系统伞绳伺服控制研究[D]. 辛久元. 哈尔滨工程大学. 2013

[5]. 大型翼伞的叁维气动性能分析[J]. 陆伟伟, 张红英, 连亮. 航天返回与遥感. 2015

[6]. 翼伞系统动力学与归航方案研究[D]. 熊菁. 国防科学技术大学. 2005

[7]. 翼伞飞行运动建模与翼伞空投控制技术研究[D]. 郑成. 南京航空航天大学. 2011

[8]. 复杂环境下翼伞系统的建模与归航控制研究[D]. 陶金. 南开大学. 2017

[9]. 翼伞系统自主归航航迹规划与控制研究[D]. 高海涛. 南开大学. 2014

[10]. 软翼无人机的数学模型与控制算法研究[D]. 王祥. 东北大学. 2015

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