專(zhuān)利名稱(chēng)：基于前機(jī)身尖部擾動(dòng)的機(jī)翼?yè)u滾控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空航天領(lǐng)域飛機(jī)機(jī)翼?yè)u滾的控制方法，特別是涉及一種采用機(jī)身尖 部擾動(dòng)非定常運(yùn)動(dòng)來(lái)抑制飛機(jī)機(jī)翼?yè)u滾的方法。
背景技術(shù)：
首先說(shuō)明一下，什么是機(jī)翼?yè)u滾。機(jī)翼?yè)u滾的英文名稱(chēng)是wing rock。機(jī)翼?yè)u滾是 指，飛行器在大攻角飛行狀態(tài)下，由于前體或機(jī)翼旋渦分離流的強(qiáng)烈誘導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致的 一種典型的不可控的非線性飛行現(xiàn)象。其主要特征為，飛行器發(fā)生機(jī)翼?yè)u滾以后，出現(xiàn)以繞 自身體軸大振幅滾轉(zhuǎn)振蕩為主要特征的自激振蕩運(yùn)動(dòng)，圖1給出了機(jī)翼?yè)u滾的典型振蕩曲 線。這是一種穩(wěn)定的極限環(huán)振蕩，嚴(yán)重影響飛行器的飛行性能，且極容易導(dǎo)致飛行器進(jìn)一步 進(jìn)入失速、尾旋等危險(xiǎn)狀態(tài)，嚴(yán)重威脅飛行安全。從公開(kāi)的資料來(lái)看，美國(guó)F-16，F(xiàn)-18，X-31， X-29等典型的現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)在大攻角飛行狀態(tài)下都表現(xiàn)出典型的機(jī)翼?yè)u滾特征。正是由于機(jī) 翼?yè)u滾在大部分戰(zhàn)機(jī)中出現(xiàn)的普遍性，以及在現(xiàn)象上的奇特性，故而引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè) 界的廣泛關(guān)注，開(kāi)展了大量研究，試圖從流動(dòng)機(jī)理的層面上弄清其產(chǎn)生的原因，進(jìn)而對(duì)其實(shí) 施有效的控制或抑制。在飛行器的實(shí)際飛行中，飛行器前體和機(jī)翼本身的旋渦流動(dòng)都可能 誘發(fā)機(jī)翼?yè)u滾，但還是以前體渦誘導(dǎo)的機(jī)翼?yè)u滾現(xiàn)象居多[1]，因?yàn)楝F(xiàn)代飛行器大都具有細(xì) 長(zhǎng)的前機(jī)身。因此，開(kāi)展前體渦誘導(dǎo)的機(jī)翼?yè)u滾研究，尋找簡(jiǎn)單易行的控制方法以有效抑制 機(jī)翼?yè)u滾，具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明所說(shuō)的機(jī)翼?yè)u滾便是指前體渦誘導(dǎo)的機(jī) 翼?yè)u滾。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)翼?yè)u滾的研究進(jìn)行了細(xì)致的研究，但是大都著眼于機(jī)翼?yè)u滾的機(jī) 理研究，對(duì)機(jī)翼?yè)u滾的控制方法研究卻相對(duì)較少。美國(guó)Toledo大學(xué)的Ng等[2]人發(fā)展了在 前體頭尖部左右兩側(cè)各開(kāi)一個(gè)吹氣孔，通過(guò)左右交替吹氣來(lái)抑制機(jī)翼?yè)u滾的方法。但是該 方法收斂速度非常慢，吹氣開(kāi)始后機(jī)翼?yè)u滾還要持續(xù)多個(gè)振蕩周期才能得到抑制；同時(shí)，該 方法需要復(fù)雜的吹氣系統(tǒng)，其裝置和氣源的問(wèn)題都難于解決，使其難于工程應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]Ericsson, L. Ε. , Review of Forebody-Induced Wing Rock, Journal of Aircraft,1996,33(2) :253_259.[2]Ng, Τ.Τ., Suarez, C. J.et al. , Forebody Vortex Control for Wing Rock Suppression, Journal of Aircraft,1994,31 (2) :298_305.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，給出一種收斂速度較快的抑制機(jī)翼?yè)u滾的方法，使得控制開(kāi)始 后振蕩在一個(gè)周期內(nèi)停止，而不是持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)，這種控制方法不需要復(fù)雜的裝置， 同時(shí)也無(wú)需額外的氣源，使得其便于工程應(yīng)用。本發(fā)明的目的通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通過(guò)以一定的頻率旋轉(zhuǎn)粘貼有微小擾動(dòng) 的頭尖部來(lái)抑制機(jī)翼?yè)u滾。主要裝置包括尖部擾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)頭、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)已有的研究可知，對(duì)于前體渦誘導(dǎo)的機(jī)翼?yè)u滾，前體大攻角的非對(duì)稱(chēng)渦對(duì)機(jī)翼?yè)u滾的形成起了重要作用， 而前體非對(duì)稱(chēng)渦對(duì)前機(jī)身尖部擾動(dòng)很敏感，尖部擾動(dòng)通過(guò)控制前體渦進(jìn)而控制飛機(jī)的機(jī)翼 搖滾運(yùn)動(dòng)，這是基于尖部擾動(dòng)控制機(jī)翼?yè)u滾的物理基礎(chǔ)。下面具體說(shuō)明本發(fā)明的機(jī)構(gòu)設(shè)置 及實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明中的機(jī)翼?yè)u滾控制方法需要在旋轉(zhuǎn)的頭部粘貼有微小的顆粒擾動(dòng)。例如可 采用陶瓷小顆粒作為擾動(dòng)，直徑為0. 2mm左右的顆粒效果較好。擾動(dòng)位置一般選擇在與頭 部?jī)蓚?cè)母線相切的位置。圖2給出了粘貼有陶瓷小顆粒的頭部實(shí)例。如果不黏貼外加擾動(dòng)， 而利用加工公差帶來(lái)的尖部自然擾動(dòng)也可達(dá)到控制機(jī)翼?yè)u滾的目的。本發(fā)明為了達(dá)到旋轉(zhuǎn)頭部的目的，需要將模型的頭尖部設(shè)計(jì)為與機(jī)身前體分離， 并且將其連接到機(jī)身內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)定位銷(xiāo)鎖緊。頭尖部與機(jī)體分離的部分要設(shè)計(jì)的 盡量小，以降低轉(zhuǎn)動(dòng)頭部的負(fù)載以及減小對(duì)流動(dòng)的影響。同時(shí)在機(jī)身前體設(shè)置電機(jī)安裝支 架，使得電機(jī)中軸線與機(jī)體中軸線重合。電機(jī)與轉(zhuǎn)軸采用聯(lián)軸器連接，使得電機(jī)能夠帶動(dòng)頭 部以一定頻率旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)性能與控制效果緊密相關(guān)。為了得到好的控制效果，電 機(jī)必須運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并且頻率可以控制，以適應(yīng)不同的飛行狀況。為了控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率， 可以采用功率合適的步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。電機(jī)的功率要根據(jù)機(jī)身前體分離部分的負(fù)載 和需要的滾轉(zhuǎn)頻率而確定，一般在尺寸允許的條件下，選擇盡可能大的功率，以保證頭尖部 旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和可控滾轉(zhuǎn)頻率盡量大。在本發(fā)明中。對(duì)于確定的攻角、來(lái)流風(fēng)速，旋轉(zhuǎn)頭在計(jì)算機(jī)控制下以高于某一頻率 的速度旋轉(zhuǎn)，搖滾運(yùn)動(dòng)可以在一個(gè)振蕩周期內(nèi)得到抑制，使得機(jī)體滾轉(zhuǎn)角回到零度。頭部的 滾轉(zhuǎn)方向?qū)刂菩Ч麤](méi)有影響，順時(shí)針或者逆時(shí)針滾轉(zhuǎn)會(huì)得到相同的控制效果。決定控制 效果的是頭部的滾轉(zhuǎn)頻率。在一定的攻角和雷諾數(shù)下，如果滾轉(zhuǎn)頻率過(guò)低，對(duì)機(jī)體的振蕩是 沒(méi)有控制效果的，相反可能會(huì)使模型出現(xiàn)一些不規(guī)則的振蕩形式；隨著滾轉(zhuǎn)頻率增加到高 于機(jī)翼?yè)u滾的主頻時(shí)，控制效果開(kāi)始出現(xiàn)，但是機(jī)體還是存在較大振幅的振蕩；隨著滾轉(zhuǎn)頻 率的繼續(xù)增大，機(jī)體振幅變得很小，接近靜止?fàn)顟B(tài)。圖4-圖6給出了這個(gè)趨勢(shì)。為了在不同條件下使得機(jī)翼?yè)u滾得到控制，可以采用反饋控制，根據(jù)搖滾的振幅 逐漸增大滾轉(zhuǎn)頻率。或者，可以在搖滾出現(xiàn)之前開(kāi)始以較高頻率滾轉(zhuǎn)頭部，這樣搖滾現(xiàn)象根 本不會(huì)出現(xiàn)。


圖1典型的前體渦誘導(dǎo)機(jī)翼?yè)u滾運(yùn)動(dòng)形式圖2粘貼有陶瓷小顆粒的旋轉(zhuǎn)頭圖3機(jī)身前體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置圖4頭部低頻滾轉(zhuǎn)出現(xiàn)的不規(guī)則振蕩圖5頭部滾轉(zhuǎn)頻率稍微高于振蕩主頻的控制結(jié)果圖6頭部較高頻率滾轉(zhuǎn)的控制結(jié)果
具體實(shí)施例方式示例 1
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本發(fā)明通過(guò)一定頻率旋轉(zhuǎn)帶有尖部擾動(dòng)的旋轉(zhuǎn)頭來(lái)達(dá)到抑制機(jī)翼?yè)u滾的目的。旋 轉(zhuǎn)的頭部粘貼有微小的顆粒擾動(dòng)，例如可采用陶瓷小顆粒作為擾動(dòng)，直徑為0. 2mm左右的 顆粒效果較好。擾動(dòng)位置一般選擇在與頭部?jī)蓚?cè)母線相切的位置。圖2給出了粘貼有陶瓷 小顆粒的頭部實(shí)例。為了頭部旋轉(zhuǎn)，將模型的頭部設(shè)計(jì)為與機(jī)身前體分離，成為一個(gè)小的旋轉(zhuǎn)頭，并且 將其連接到機(jī)身內(nèi)部的轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)定位銷(xiāo)鎖緊。頭尖部與機(jī)體分離的部分要設(shè)計(jì)的盡量 小，以降低轉(zhuǎn)動(dòng)頭部的負(fù)載以及減小對(duì)流動(dòng)的影響。同時(shí)在機(jī)身前體設(shè)置電機(jī)安裝支架，使 得電機(jī)中軸線與機(jī)體中軸線重合。電機(jī)與轉(zhuǎn)軸采用聯(lián)軸器連接，使得電機(jī)能夠帶動(dòng)頭部以 一定頻率旋轉(zhuǎn)。以上結(jié)構(gòu)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)必須運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并且頻率可以控制，以適應(yīng)不同 的飛行狀況。為了控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率，可以采用功率合適的步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)。電 機(jī)的功率要根據(jù)機(jī)身前體分離部分的負(fù)載和需要的滾轉(zhuǎn)頻率而確定，一般在尺寸允許的條 件下，選擇盡可能大的功率，以保證頭尖部旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)和可控滾轉(zhuǎn)頻率盡量大。該控制方法的實(shí)施方式為，旋轉(zhuǎn)頭在計(jì)算機(jī)控制下以高于某一頻率的速度旋轉(zhuǎn)， 即可達(dá)到抑制機(jī)翼?yè)u滾的目的。
權(quán)利要求
一種用于控制前體渦誘導(dǎo)機(jī)翼?yè)u滾的方法。
具體實(shí)施方式
為通過(guò)以一定頻率旋轉(zhuǎn)帶有尖部擾動(dòng)的旋轉(zhuǎn)頭來(lái)抑制機(jī)翼?yè)u滾，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率高于一定頻率后，可使機(jī)翼?yè)u滾得到抑制。主要裝置包括尖部擾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)頭和驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭的電機(jī)。尖部擾動(dòng)貼在旋轉(zhuǎn)頭上，通過(guò)位于模型前體內(nèi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述裝置，尖部擾動(dòng)可以通過(guò)外加人工擾動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如直徑毫米 以下的陶瓷小球等，也可由前機(jī)身尖部加工公差引起的自然擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如采用人工擾動(dòng)， 擾動(dòng)的黏貼應(yīng)保證其外緣與模型頭部的母線相切并盡量靠近尖部。
3.根據(jù)權(quán)利1所述裝置，旋轉(zhuǎn)頭要盡量小，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及對(duì)氣流的影響。
4.根據(jù)權(quán)利1所述裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要運(yùn)行平穩(wěn)，頻率可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明的內(nèi)容是一種抑制前體渦誘導(dǎo)的機(jī)翼?yè)u滾的方法，包括設(shè)置頭尖部與機(jī)身前體分離，并將頭尖部連接到前機(jī)身的轉(zhuǎn)軸上，同時(shí)在頭尖部粘貼陶瓷小顆粒作為擾動(dòng)，陶瓷小顆粒邊緣與頭尖部的母線相切，使用電機(jī)帶動(dòng)頭尖部以一定的頻率旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到抑制前體渦誘導(dǎo)機(jī)翼?yè)u滾的目的。
文檔編號(hào)B64C17/00GK101985309SQ20101018196
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者張 杰, 李巖, 王延奎, 鄧學(xué)鎣, 馬寶峰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)