傾轉(zhuǎn)
關(guān)注創(chuàng)建者：無人機工坊 創(chuàng)建時間：2021-03-01
傾轉(zhuǎn)的視頻教程
基于SCDM+FM+Fluent的bellbat傾轉(zhuǎn)旋翼機旋翼傾轉(zhuǎn)過程氣動仿真
采用了貝爾的傾轉(zhuǎn)旋翼戰(zhàn)斗機概念模型，進行傾轉(zhuǎn)旋翼的氣動仿真。 傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器旋翼轉(zhuǎn)速600RPM，主旋翼從水平狀態(tài)往垂直狀態(tài)進行傾轉(zhuǎn)，傾轉(zhuǎn)速度15rpm，計算旋翼傾轉(zhuǎn)過程的瞬態(tài)過程。可以獲取傾轉(zhuǎn)過程中的旋翼拉力，下洗速度、機身壓力分布等各種數(shù)據(jù)。
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傾轉(zhuǎn)的實例教程
傾轉(zhuǎn)旋翼機可在直升機模式、固定翼飛機模式和兩者之間過渡模式飛行，集直升機和固定翼飛機飛行特點與一身。相比傳統(tǒng)直升機，傾轉(zhuǎn)旋翼機的飛行速度大幅提高，飛行包線更大，應(yīng)用范圍更加廣闊；與固定翼飛機相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機大大降低了對場地的要求，提高了空間靈活性。然而，傾轉(zhuǎn)旋翼機特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計使其兼具了類似于直升機“地面共振”“空中共振”以及固定翼飛機回轉(zhuǎn)顫振的動力學不穩(wěn)定問題，其中回轉(zhuǎn)顫振是傾轉(zhuǎn)旋翼機設(shè)計不容忽視的自激不穩(wěn)定性問題。研究表明傾轉(zhuǎn)旋翼機的機翼剛度是影響回轉(zhuǎn)顫振穩(wěn)定性的重要因素之一，其中扭轉(zhuǎn)剛度對回轉(zhuǎn)顫振穩(wěn)定性的影響較大，弦向及垂向彎曲剛度的影響較小，適當提高機翼扭轉(zhuǎn)剛度能夠有效提升回轉(zhuǎn)顫振邊界速度。但是，復合材料機翼力學性能相比金屬材料更為復雜。國內(nèi)外諸多學者針對傾轉(zhuǎn)旋翼機復合材料機翼開展研究探索。Rais-Rohani M.等研究了復合材料的方向剛度特性對傾轉(zhuǎn)旋翼機機翼剛度的影響，分析了動力等約束條件下最小重量機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。Popelka等人通過機翼氣彈剪裁設(shè)計研究了機翼厚度對對V-22傾轉(zhuǎn)旋翼回轉(zhuǎn)顫振的影響，機翼最大厚度變化對回轉(zhuǎn)顫振速度邊界提升明顯。Sprangers,C.A等進行V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機機翼仿真（如圖1）分析，并通過振動試驗研究對仿真結(jié)果進行了驗證，提高了全尺寸機翼研制設(shè)計把握。諸多研究證明了復合材料機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計在傾轉(zhuǎn)旋翼機研制中具有重要的工程意義。
基于有限元方法分析了傾轉(zhuǎn)旋翼機復合材料機翼動特性，通過文獻測試結(jié)果驗證了有限元分析結(jié)果的準確性和建立的機翼模型可信度。然后進行了復合材料機翼的構(gòu)型設(shè)計分析，研究了蒙皮厚度和復合材料蒙皮鋪層角度對機翼動特性尤其是扭轉(zhuǎn)剛度的影響，為進一步提高傾轉(zhuǎn)旋翼機回轉(zhuǎn)顫振穩(wěn)定性邊界提供方向。
展開 關(guān)鍵詞
傾轉(zhuǎn)旋翼機；非線性系統(tǒng)；干擾觀測器；預(yù)設(shè)性能；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；跟蹤控制
1 引 言
傾轉(zhuǎn)旋翼機具有高速飛行、起降不受地形約束等能力，兼具固定翼飛機與直升機的優(yōu)點
［1］。基于傾轉(zhuǎn)旋翼機表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，針對傾轉(zhuǎn)旋翼機控制問題的研究開始引起國內(nèi)外研究者的密切關(guān)注。
傾轉(zhuǎn)旋翼機雖然各方面性能突出，但是其結(jié)構(gòu)繁雜，在飛行時機體各構(gòu)件的相互干擾十分強烈，如雙旋翼的誘導速度干擾、旋翼尾流對機翼的下洗作用等
［2］，所以整個系統(tǒng)的空氣動力學特性求解十分困難。不僅如此，系統(tǒng)還會受到外部風干擾以及系統(tǒng)不確定性的影響，這些都增加了系統(tǒng)建模的難度。傾轉(zhuǎn)旋翼機還是一個多體、高度耦合、欠驅(qū)動的機械系統(tǒng)
［3］。
如何實現(xiàn)對期望信號的快速準確跟蹤也是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。在現(xiàn)有的控制技術(shù)中，基于系統(tǒng)辨識的控制方法、智能算法（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）等都可以滿足傾轉(zhuǎn)旋翼機一定的性能要求
［4］。比如，文獻［
5］提出了一種基于增益調(diào)度的多模型方法，針對傾轉(zhuǎn)旋翼機進行控制器設(shè)計；為了消除對模型的精確要求，文獻［
6］提出了一種自適應(yīng)非線性分層控制器框架，實現(xiàn)了位置系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)的控制；文獻［
7］采用非線性模型預(yù)測控制實現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)旋翼機自轉(zhuǎn)和前飛的控制，設(shè)計約束和成本函數(shù)提高非線性優(yōu)化的可靠性。但當系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度不確定變化以及外部干擾時，這些方法無法保證系統(tǒng)的動態(tài)特性，也很難實現(xiàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。
由于傾轉(zhuǎn)旋翼機會受到諸如陣風之類的復雜干擾影響，所以為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力與動態(tài)飛行品質(zhì)，需要設(shè)計干擾觀測器來補償干擾。干擾觀測器的應(yīng)用十分廣泛。例如，針對萬向節(jié)系統(tǒng)中存在的多重干擾問題，文獻［
8］提出了一種基于精細擾動觀測器的速度跟蹤控制器，用于處理多個擾動并提高跟蹤性能。
展開 珠海航展上，國內(nèi)展示了一種傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計的無人攻擊機。傾轉(zhuǎn)旋翼的最大優(yōu)勢，就是既具備直升機的垂直起降能力，又在航程和速度特性上，高度接近螺旋槳固定翼飛機。
傾轉(zhuǎn)旋翼機的缺陷也很明顯，結(jié)構(gòu)要更復雜都是最容易解決的問題；其氣動特性、特別是動力裝置傾轉(zhuǎn)過程中的氣動特性變化，現(xiàn)在還有大量的問題沒有研究清楚。這使得它在設(shè)計、特別是飛控設(shè)計上存在大量的疑難空白。
本文針對這一難題提供了仿真方面的解決途徑，下面展示的是基于fluent重疊網(wǎng)格制作的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機算例，內(nèi)容包含了幾何模型文件、網(wǎng)格文件和全部計算所需文件，還錄制了全程操作視頻可供學員跟著視頻逐步學習。
動力裝置傾轉(zhuǎn)過程中的網(wǎng)格運動展示
動力裝置傾轉(zhuǎn)過程中的網(wǎng)格運動展示
縱截面上的流線圖
縱截面速度矢量圖
全場流線
整體網(wǎng)格
致密的邊界層網(wǎng)格
全程操作錄屏
展開 同時，傾轉(zhuǎn)旋翼機的特點導致機翼末端質(zhì)量集中，使得設(shè)計一種輕質(zhì)且具有足夠剛度的機翼構(gòu)型成為了研發(fā)過程中最大的挑戰(zhàn)。
而且，聯(lián)合企業(yè)最初與萊昂納多簽訂的合同只包括機翼本體，但后續(xù)增加了控制舵面設(shè)計的工作份額，這也使整個系統(tǒng)的復雜度額外增加。NGCTR在每個機翼上各有兩個控制舵面：一個典型的副襟翼提供額外的升力和控制能力；一個可轉(zhuǎn)動表面，在垂直起飛時旋轉(zhuǎn)89度接近垂直，以減小旋翼下洗氣流被機翼阻擋的程度，進而減小整機對動力的需求。隨著傾轉(zhuǎn)旋翼機過渡到固定翼飛行模式，該舵面就會回至水平位置。
該項目另外一個技術(shù)難度在氣彈不穩(wěn)定性。NGCTR的翼展雖然與萊昂納多公司正在研發(fā)的AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機基本一致，但弦長翻倍，達到了1.9米。故需要盡可能降低任何固有的氣彈不穩(wěn)定如顫振，而不是通過控制機翼舵面來抵消。“目前的設(shè)計狀態(tài)不會有顫振問題，但我們也要分析其他氣彈現(xiàn)象，為初步設(shè)計評審做好準備”Palma總師提到。
除了在機翼工作包外增加的控制舵面設(shè)計內(nèi)容，聯(lián)合企業(yè)還承擔了潔凈天空2項目下的更多研究任務(wù)。包括旨在研究葉型特征的機翼風洞試驗，非“膀胱狀”結(jié)構(gòu)的燃油存儲系統(tǒng)構(gòu)型研究，以及那不勒斯大學和CIRA研究所開展的旋翼內(nèi)外部噪聲機理研究。此項研究將基于一架測試改裝的AW609展開，作為復雜噪聲優(yōu)化過程的開端，所得結(jié)果擬用來提升最終機翼設(shè)計的噪聲性能。
圖 萊昂納多公司研發(fā)中的AW609傾轉(zhuǎn)旋翼機
對聯(lián)合企業(yè)及其背后的眾多公司而言，雖然NGTCR的定位是技術(shù)驗證機，技術(shù)成熟度只能達到6，但如果萊昂納多公司最終決定要基于驗針機得到的技術(shù)儲備研發(fā)量產(chǎn)型號，則前期的深度參與就會使其在各方面處于有利地位。當下的聚力投入，就是給未來一個占據(jù)市場和技術(shù)的機會。
作者：余健雄
來源：兩機動力控制
展開 貝爾-波音 V-22 綽號：魚鷹，是由美國貝爾直升機公司和波音公司聯(lián)合設(shè)計制造的具備垂直起降和短距起降能力的傾轉(zhuǎn)旋翼機。V-22于上個世紀80年代開始研發(fā)，1989年3月19日首飛成功，2006年11月16日進入美國空軍服役，2007年在美國海軍陸戰(zhàn)隊服役。
美國貝爾公司的V-22B魚鷹傾轉(zhuǎn)旋翼機是世界上唯一量產(chǎn)大批裝備的集合了直升機與螺旋槳固定翼運輸機優(yōu)勢于一身的航空器，如今包括美國空軍，美國海軍陸戰(zhàn)隊都是其裝備客戶，而美國海軍陸戰(zhàn)隊是最大的用戶。
由于魚鷹V－22B的特殊能力，除了美國裝備之外，其余的國家也表現(xiàn)出了濃厚的興趣，其中就包括日本陸上自衛(wèi)隊采購了同類的產(chǎn)品，而且機型與美國海軍陸戰(zhàn)隊的型號是一樣的。
V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機每套旋翼系統(tǒng)由一臺艾里遜公司（Allison）制造的AE1107C渦輪軸發(fā)動機提供動力，這種發(fā)動機能生產(chǎn)超過6000馬力的動力。每臺發(fā)動機驅(qū)動其自身的旋翼，并將一些動力傳遞給驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的機翼中部變速箱。在一臺發(fā)動機出現(xiàn)故障的情況下，剩下的一臺發(fā)動機通過內(nèi)部連接驅(qū)動軸將動力分配給兩套旋翼系統(tǒng)，“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機還能夠運行。
右側(cè)翼端的可傾斜發(fā)動機
另一側(cè)的發(fā)動機
機身有超過43%為復合材料制造，包括旋翼。為減少被運載時所需空間，整主翼可以轉(zhuǎn)動90°，變成與機身平行，三葉旋翼也能轉(zhuǎn)動重疊在一地。整個收納過程只需90秒。兩具勞斯萊斯Rolls-Royce T406引擎以轉(zhuǎn)軸及齒輪箱連動，因此即使其中一個失去動力，另一個也能讓整架機繼飛行。
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傾轉(zhuǎn)的最新內(nèi)容
其無人機配備冗余電池系統(tǒng)和8個電機，其中4個電機采用傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)，以增強向巡航狀態(tài)的過渡的性能。
仿真技術(shù)可幫助Wingcopter評估無人機在各種條件下（包括強風、暴雨、不同海拔等）的性能。仿真結(jié)果會與現(xiàn)場測試和運行數(shù)據(jù)進行比對，并且，結(jié)果將被反饋到虛擬環(huán)境中，形成一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計循環(huán)，從而實現(xiàn)部件的快速優(yōu)化，提高性能和安全性。
飛翼的舵面控制
案例：NASA和佐治亞理工合作RAVEN項目，傾轉(zhuǎn)旋翼eVTOL 概念機，于2022年完成靜態(tài)風洞實驗。
</p><p><br></p><p><strong>eVTOL結(jié)構(gòu)領(lǐng)域涉及到多種仿真類型：</strong></p><p><br></p><ul><li>第一個是多體動力學的仿真，比如傾旋翼結(jié)構(gòu)機械運動，它需要做整體機翼傾轉(zhuǎn)或者是旋翼的傾轉(zhuǎn)模擬，是一個復雜的機械系統(tǒng)的模擬，還有像飛機艙門的開關(guān)模擬，機翼的襟翼收放仿真等等。</li><li>第二個是NVH分析，包括分析模態(tài)、振動以及噪聲的問題。
適用于電力驅(qū)動或燃料驅(qū)動的UAS，不適用于傾轉(zhuǎn)旋翼或傾轉(zhuǎn)翼無人機。該文件也可用于測量來自具有多個旋翼或單個旋翼UAS的聲壓。
歐洲航空安全局(EASA)指南：EASA發(fā)布了針對600公斤以下無人機的噪聲水平測量指南，這是全球首個此類指南，適用于多旋翼、固定翼、直升機和動力提升等多種無人機設(shè)計。
優(yōu)化eVTOL的巡航性能：考慮電系統(tǒng)熱限制對傾轉(zhuǎn)翼eVTOL巡航性能的影響，可以幫助減少事故的發(fā)生，還可以降低運營商的運營成本。通過建立傾轉(zhuǎn)翼eVTOL巡航仿真模型，以飛機巡航速度作為控制變量，以巡航時間和電能消耗作為目標函數(shù)，結(jié)合實際飛行條件設(shè)定不同權(quán)重，基于改進粒子群算法進行優(yōu)化求解，可以得出性能參數(shù)并對比分析，對減少飛機巡航時間和降低電能消耗均有良好的優(yōu)化效果。
傾轉(zhuǎn)鑄造的旋轉(zhuǎn)速度如果為了不引起湍流而過慢，則金屬液的前沿會開始凝固，導致澆不足；如果系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過快，則會引起湍流，從而無法達到目的。
圖片2. 傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)鑄造制程
為了改善鑄造缺陷，GM早在 2012年就取得美國專利 US 2012/0312493 A1，以修正后澆包的設(shè)計改善傾轉(zhuǎn)鑄造問題。
傾轉(zhuǎn)旋翼機可在直升機模式、固定翼飛機模式和兩者之間過渡模式飛行，集直升機和固定翼飛機飛行特點與一身。相比傳統(tǒng)直升機，傾轉(zhuǎn)旋翼機的飛行速度大幅提高，飛行包線更大，應(yīng)用范圍更加廣闊；與固定翼飛機相比，傾轉(zhuǎn)旋翼機大大降低了對場地的要求，提高了空間靈活性。
對于縱列式傾轉(zhuǎn)涵道風扇eVTOL航空器，可通過增大軸向和縱向涵道風扇的間距可以減小平飛時的尾流干擾，并研究專門的涵道風扇傾轉(zhuǎn)控制策略，避免傾轉(zhuǎn)過程中前后涵道風扇尾流干擾導致姿態(tài)失控。
電機和涵道風扇結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計技術(shù)
電機是涵道風扇電推進系統(tǒng)的機電能量轉(zhuǎn)化部件，為涵道風扇提供匹配的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，一般安裝在槳轂內(nèi)部。
為實現(xiàn)高速化目標，高速直升機必須采用非常規(guī)構(gòu)型，包括共軸、傾轉(zhuǎn)等，以規(guī)避目前常規(guī)直升機存在的旋翼限制；采用具備變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力的先進渦軸發(fā)動機與傳動系統(tǒng)，保證高速飛行所需的功率輸出，以及持續(xù)飛行時的低油耗；采用高效旋翼系統(tǒng)及全復材機體結(jié)構(gòu)，以保證高氣動效率與重量效率。
由于飛行時外部干擾風較小，無人機傾轉(zhuǎn)過渡階段幾乎看不出有高度波動。傾轉(zhuǎn)過渡階段完成后，無人機進入快速巡航階段（圖23）。
