[發明專利]一種適用于旋翼飛行器的高效氣動配平方法

有效

• 申請號: 201710404469.5
• 申請日: 2017-06-01
• 公開（公告）號: CN107330152B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 史勇杰;祁浩天;徐國華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

本發明提供一種適用于旋翼飛行器的高效氣動配平方法，包括使用簡單氣動模型計算操縱量，采用旋翼CFD方法對簡單氣動模型計算結果進行修正，最終得到符合設定的收斂條件的配平操縱量。本發明的配平方法與傳統配平方法相比有較高的準確性；同時雅各比矩陣的求解放在簡單氣動模型中降低了計算量，與全CFD配平相比提高了計算效率。配平中旋翼氣動力計算精度主要由CFD模型精度決定，簡單氣動模型主要決定氣動力隨操縱量的變化趨勢，因此不局限于典型的單旋翼構型，對各類旋翼飛行器有更廣泛的適用性。

技術領域

本發明涉及旋翼飛行器控制技術領域，具體而言涉及一種適用于旋翼飛行器的高效氣動配平方法。

背景技術

隨著旋翼類飛行器的廣泛應用，其多樣性顯著增加，不再局限于典型的單旋翼直升機，在旋翼類飛行器的氣動研究中，氣動配平是準確、有效模擬旋翼類飛行器氣動特性進行氣動研究的前提。以共軸剛性旋翼為例，若不對其進行操縱量配平，則無法準確模擬其特有的升力偏置狀態。因此，建立適合各類旋翼飛行器的精確、高效的氣動配平方法，對旋翼飛行器的研究有重要的支撐作用。

目前，針對旋翼的氣動配平方法主要有：1)通過旋翼動態入流模型或尾跡模型等建立傳統氣動模型，針對不同的目標量，使用牛頓迭代法完成配平。這些傳統氣動模型大多是根據典型的直升機旋翼流場特征建立的，因此只適用于典型的單旋翼直升機飛行狀態，而對于高速飛行狀態下的旋翼或共軸剛性旋翼等新型旋翼則不能直接適用。2)通過氣動試驗進行配平。這種方法過于依賴試驗，配平成本較高。且對于新型旋翼，其操縱量沒有適當的參考值，會使配平工作量顯著增加。3)結合旋翼計算流體力學(CFD)方法進行配平。如Kim等人將旋翼CFD與傳統配平方法相結合，開展了探索性研究，但這種傳統CFD配平方法在配平過程中用CFD求解完全代替傳統氣動模型，配平效率較低。以雙旋翼飛行器為例，其有六個操縱量，對應的雅各比矩陣為六維方陣，每次求解雅各比矩陣都需要進行六次CFD求解，計算量顯著增大。由此可見，對于旋翼類飛行器的氣動研究，尚未建立精確、高效且具有普適性的氣動配平方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種適用于旋翼飛行器的高效氣動配平方法，該方法氣動模型簡單，計算量小，但是能夠廣泛適用于各類旋翼飛行器，且配平具有較高的準確性。

為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種適用于旋翼飛行器的高效氣動配平方法，包括以下步驟：

步驟1)使用旋翼動態入流模型或尾跡模型給出旋翼誘導速度，結合旋翼葉素理論建立簡單氣動模型(相對旋翼CFD方法而言的簡單模型)；

步驟2)針對給定的旋翼氣動力最終目標量，使用牛頓迭代法以及簡單氣動模型求解對應的操縱量；

步驟3)將求解得到的操縱量代入旋翼CFD模型進行計算，得到CFD計算的旋翼氣動力；

步驟4)以簡單氣動模型計算的氣動力減去CFD計算得到的旋翼氣動力，得到兩者差值；若CFD計算得到的旋翼氣動力大于簡單模型結果，則說明以該目標量使用簡單模型配出的操縱量偏大，得到負的目標量差值；若CFD計算得到的旋翼氣動力小于簡單模型結果，則得到正的目標量差值；

步驟5)在原始的目標量基礎上加上所述步驟4)所得到的差值，得到中間目標量；再將中間目標量代入簡單氣動模型，得到新的操縱量；

步驟6)將得到的新操縱量代入CFD模型計算得到的新氣動力：如果計算得到的新氣動力與最終目標量差值在設計范圍內，即達到了配平收斂要求，該新操縱量即為配平所得操縱量；如果計算得到的新氣動力與最終目標量差值不在設計范圍內，重復步驟3)至步驟5)，直至最終計算得到的氣動力與最終目標量差值在設計范圍。

進一步的，所述步驟2)中的牛頓迭代法采用配平數學模型：