傾轉旋翼
關注創建者：laplacianFoam 創建時間：2022-12-06
傾轉旋翼的視頻教程
基于SCDM+FM+Fluent的bellbat傾轉旋翼機旋翼傾轉過程氣動仿真
采用了貝爾的傾轉旋翼戰斗機概念模型，進行傾轉旋翼的氣動仿真。 傾轉旋翼飛行器旋翼轉速600RPM，主旋翼從水平狀態往垂直狀態進行傾轉，傾轉速度15rpm，計算旋翼傾轉過程的瞬態過程。可以獲取傾轉過程中的旋翼拉力，下洗速度、機身壓力分布等各種數據。
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傾轉旋翼的實例教程
傾轉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。相比傳統直升機，傾轉旋翼機的飛行速度大幅提高，飛行包線更大，應用范圍更加廣闊；與固定翼飛機相比，傾轉旋翼機大大降低了對場地的要求，提高了空間靈活性。然而，傾轉旋翼機特殊的結構設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顫振的動力學不穩定問題，其中回轉顫振是傾轉旋翼機設計不容忽視的自激不穩定性問題。研究表明傾轉旋翼機的機翼剛度是影響回轉顫振穩定性的重要因素之一，其中扭轉剛度對回轉顫振穩定性的影響較大，弦向及垂向彎曲剛度的影響較小，適當提高機翼扭轉剛度能夠有效提升回轉顫振邊界速度。但是，復合材料機翼力學性能相比金屬材料更為復雜。國內外諸多學者針對傾轉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構設計方法。Popelka等人通過機翼氣彈剪裁設計研究了機翼厚度對對V-22傾轉旋翼回轉顫振的影響，機翼最大厚度變化對回轉顫振速度邊界提升明顯。Sprangers,C.A等進行V-22傾轉旋翼機機翼仿真（如圖1）分析，并通過振動試驗研究對仿真結果進行了驗證，提高了全尺寸機翼研制設計把握。諸多研究證明了復合材料機翼結構設計在傾轉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旋翼機復合材料機翼動特性，通過文獻測試結果驗證了有限元分析結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型設計分析，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剛度的影響，為進一步提高傾轉旋翼機回轉顫振穩定性邊界提供方向。
展開 關鍵詞
傾轉旋翼機；非線性系統；干擾觀測器；預設性能；神經網絡；跟蹤控制
1 引 言
傾轉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點
［1］。基于傾轉旋翼機表現出來的優異性能，針對傾轉旋翼機控制問題的研究開始引起國內外研究者的密切關注。
傾轉旋翼機雖然各方面性能突出，但是其結構繁雜，在飛行時機體各構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］，所以整個系統的空氣動力學特性求解十分困難。不僅如此，系統還會受到外部風干擾以及系統不確定性的影響，這些都增加了系統建模的難度。傾轉旋翼機還是一個多體、高度耦合、欠驅動的機械系統
［3］。
如何實現對期望信號的快速準確跟蹤也是一個具有挑戰性的問題。在現有的控制技術中，基于系統辨識的控制方法、智能算法（如人工神經網絡）等都可以滿足傾轉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度的多模型方法，針對傾轉旋翼機進行控制器設計；為了消除對模型的精確要求，文獻［
6］提出了一種自適應非線性分層控制器框架，實現了位置系統和姿態系統的控制；文獻［
7］采用非線性模型預測控制實現了傾轉旋翼機自轉和前飛的控制，設計約束和成本函數提高非線性優化的可靠性。但當系統出現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的動態特性，也很難實現對系統的穩定控制。
由于傾轉旋翼機會受到諸如陣風之類的復雜干擾影響，所以為了提高系統的抗干擾能力與動態飛行品質，需要設計干擾觀測器來補償干擾。干擾觀測器的應用十分廣泛。例如，針對萬向節系統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 同時，傾轉旋翼機的特點導致機翼末端質量集中，使得設計一種輕質且具有足夠剛度的機翼構型成為了研發過程中最大的挑戰。
而且，聯合企業最初與萊昂納多簽訂的合同只包括機翼本體，但后續增加了控制舵面設計的工作份額，這也使整個系統的復雜度額外增加。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；一個可轉動表面，在垂直起飛時旋轉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難度在氣彈不穩定性。NGCTR的翼展雖然與萊昂納多公司正在研發的AW609傾轉旋翼機基本一致，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定如顫振，而不是通過控制機翼舵面來抵消。“目前的設計狀態不會有顫振問題，但我們也要分析其他氣彈現象，為初步設計評審做好準備”Palma總師提到。
除了在機翼工作包外增加的控制舵面設計內容，聯合企業還承擔了潔凈天空2項目下的更多研究任務。包括旨在研究葉型特征的機翼風洞試驗，非“膀胱狀”結構的燃油存儲系統構型研究，以及那不勒斯大學和CIRA研究所開展的旋翼內外部噪聲機理研究。此項研究將基于一架測試改裝的AW609展開，作為復雜噪聲優化過程的開端，所得結果擬用來提升最終機翼設計的噪聲性能。
圖 萊昂納多公司研發中的AW609傾轉旋翼機
對聯合企業及其背后的眾多公司而言，雖然NGTCR的定位是技術驗證機，技術成熟度只能達到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儲備研發量產型號，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市場和技術的機會。
作者：余健雄
來源：兩機動力控制
展開 珠海航展上，國內展示了一種傾轉旋翼設計的無人攻擊機。傾轉旋翼的最大優勢，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。
傾轉旋翼機的缺陷也很明顯，結構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過程中的氣動特性變化，現在還有大量的問題沒有研究清楚。這使得它在設計、特別是飛控設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重疊網格制作的傾轉旋翼無人機算例，內容包含了幾何模型文件、網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。
動力裝置傾轉過程中的網格運動展示
動力裝置傾轉過程中的網格運動展示
縱截面上的流線圖
縱截面速度矢量圖
全場流線
整體網格
致密的邊界層網格
全程操作錄屏
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合設計制造的具備垂直起降和短距起降能力的傾轉旋翼機。V-22于上個世紀80年代開始研發，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年在美國海軍陸戰隊服役。
美國貝爾公司的V-22B魚鷹傾轉旋翼機是世界上唯一量產大批裝備的集合了直升機與螺旋槳固定翼運輸機優勢于一身的航空器，如今包括美國空軍，美國海軍陸戰隊都是其裝備客戶，而美國海軍陸戰隊是最大的用戶。
由于魚鷹V－22B的特殊能力，除了美國裝備之外，其余的國家也表現出了濃厚的興趣，其中就包括日本陸上自衛隊采購了同類的產品，而且機型與美國海軍陸戰隊的型號是一樣的。
V-22傾轉旋翼機每套旋翼系統由一臺艾里遜公司（Allison）制造的AE1107C渦輪軸發動機提供動力，這種發動機能生產超過6000馬力的動力。每臺發動機驅動其自身的旋翼，并將一些動力傳遞給驅動翻轉機構的機翼中部變速箱。在一臺發動機出現故障的情況下，剩下的一臺發動機通過內部連接驅動軸將動力分配給兩套旋翼系統，“魚鷹”傾轉旋翼機還能夠運行。
右側翼端的可傾斜發動機
另一側的發動機
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，整主翼可以轉動90°，變成與機身平行，三葉旋翼也能轉動重疊在一地。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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傾轉旋翼的最新內容
其無人機配備冗余電池系統和8個電機，其中4個電機采用傾轉旋翼技術，以增強向巡航狀態的過渡的性能。
仿真技術可幫助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。仿真結果會與現場測試和運行數據進行比對，并且，結果將被反饋到虛擬環境中，形成一個數據驅動的設計循環，從而實現部件的快速優化，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，傾轉旋翼eVTOL 概念機，于2022年完成靜態風洞實驗。
</p><p><br></p><p><strong>eVTOL結構領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，比如傾旋翼結構機械運動，它需要做整體機翼傾轉或者是旋翼的傾轉模擬，是一個復雜的機械系統的模擬，還有像飛機艙門的開關模擬，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、振動以及噪聲的問題。
適用于電力驅動或燃料驅動的UAS，不適用于傾轉旋翼或傾轉翼無人機。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計。
在eVTOL方興未艾的當下，其總體設計需要更深入地耦合氣動、控制、結構、動力、操穩等專業，尤其是對于傾轉翼、傾轉旋翼等飛行器氣動布局和推進系統的綜合優化。在模態轉換過程中，eVTOL的重心、氣動力/力矩、機身結構載荷、控制策略、功率需求均有顯著變化，需配合準確全面的數學模型和實體樣機完成設計迭代。
總體設計能力不僅影響樣機到產品的性能，還會影響研制成本和生命周期成本。
傾轉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。相比傳統直升機，傾轉旋翼機的飛行速度大幅提高，飛行包線更大，應用范圍更加廣闊；與固定翼飛機相比，傾轉旋翼機大大降低了對場地的要求，提高了空間靈活性。
將該算法引入可傾轉旋翼無人機的傾轉過渡過程飛行高度控制系統設計中，可在無須任何位置動力學模型信息情形下，將位置跟蹤誤差轉化為無人機期望的俯仰角控制。
傾轉三旋翼飛行器動態特性分析與非線性控制研究[D].天津 : 天津大學 ,2017
[2] 崔攀奎 . 基于模糊系統的槳葉結構故障診斷研究 [D].南京 :南京航空航天大學 ,2013
[3] 朱清華 . 自轉旋翼飛行器總體設計關鍵技術研究 [D].南京 :南京航空航天大學 ,2007
[4] 唐曉波 .
進一步表明所提算法能夠有效實現傾轉旋翼機的穩定跟蹤控制，并具有良好的環境適應能力與魯棒性。
關鍵詞
傾轉旋翼機；非線性系統；干擾觀測器；預設性能；神經網絡；跟蹤控制
1 引 言
傾轉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點
［1］。
憑借復合材料機身，傾轉旋翼，可容納4名乘客和一名飛行員，Joby飛行器的設計航程為150英里，可以將客戶從主要大都市區的一側帶到另一側，時間僅為汽車或鐵路的一小部分，并且比直升機安靜100倍 - 在加利福尼亞州中部，Joby的總部所在地，這意味著從圣何塞到舊金山只需15分鐘，而現在同樣的路程，開車或坐火車需要1.5-2小時。
