飛行器結構的案例
旋翼飛行器結構模態分析與調整
對超小型無人旋翼機的機體進行了結構分析．先利用了catia的有限元分析軟件包對結構動力學特性進行分析,計算出了旋翼機的各階頻率與振型。其后通過結構試驗對其計算的結果進行驗證,并且根據計算和實驗的結果進行了結構修正。通過結構的調整和強化,超小型無人旋翼機的機體振幅有所減小,并根據機體的振型模態,飛行控制系統的各類傳感器均安裝在機體振幅較小的位置,改善了傳感器的工作性能。
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ABAQUS四旋翼無人飛行器仿真分析
旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。
作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件ABAQUS建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數據，為該無人機的結構設計提供了理論依據。
系留型四旋翼飛行器系統是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統的受力結構等。
圖１ 系留型四旋翼無人飛行器結構示意圖
在Ａｂａｑｕｓ軟件中建立的有限元模型如圖２所示。
展開 四旋翼無人飛行器仿真分析
四旋翼無人飛行器仿真分析
旋翼無人飛行器具有垂直起降／著陸、可懸停、機動性好及結構簡單等多種優點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。
作為垂直／短距起降飛行器，多旋翼無人飛行器不受起降場地的限制，具有很強的適應性，一直是各國軍方關注的焦點。多旋翼無人飛行器與常規的飛行器相比，具有垂直起降、著陸、懸停、縱飛和側飛等飛行特性。隨著近年來微電子、微機械、計算機技術及電池等技術的飛速發展，小型四旋翼無人機的體積、重量、靈活性和機動性等多個方面有了長足的進步。根據動力配置形式的不同，旋翼無人飛行器一般有四旋翼、六旋翼和八旋翼等。根據飛行器的飛行方式，一般分為自由型及系留型。目前的產品主要集中在自由型多旋翼，其載重量較小，主要面向航模愛好者，應用領域為航拍，單塊電池僅能支持飛行器滯空１５ｍｉｎ左右。而系留型多旋翼飛行器具有覆蓋面積大、留空時間長、機動性能強及效能費用比高等顯著的特點，無論是在軍事領域還是民用領域，都有非常廣泛的應用價值。四旋翼無人飛行器在結構上更為簡潔：四只旋翼相互抵消扭矩，不需要專門的反扭矩槳；具有更簡潔的控制方式，僅通過改變四只旋翼的轉速即可實現各種姿態控制。因此，系留型四旋翼無人飛行器備受國內外很多專家和學者的關注和研究。
本文以系留型四旋翼無人飛行器為研究對象，采用通用大型有限元分析軟件Ａｂａｑｕｓ建立了對應的力學仿真模型。應用該仿真模型對該旋翼無人飛行器在旋翼升力、風載荷及降落沖擊等工況下的結構強度和剛度響應進行了仿真分析，得到了對應的安全裕度數據，為該無人機的結構設計提供了理論依據。
系留型四旋翼飛行器系統是一種有４個螺旋槳且螺旋槳呈十字交叉形式的飛行器，如圖１所示。整個飛行平臺結構包含中心架（設備艙）、支撐臂、起落架及其他系統的受力結構等。
展開 桑建華總師：隱身技術推動新一代飛行器發展
此外, 為了滿足隱身要求, 所有的武器必須內置在武器艙內, 導致飛機的尺寸進一步加大 (常規飛機大多為外掛武器) ;發動機壓氣機是飛行器前方最大的散射源, 為了有效降低其影響, 進氣道必須采用大彎度內管道的氣動力流道設計, 以便形成對發動機壓氣機的有效遮擋并有效提高雷達吸波材料的效率, 導致進氣道的重要設計參數總壓恢復系數下降, 氣動效率降低。
雷達隱身涂料的使用導致重量和成本增加、飛機維護性能下降, 但其對飛行器飛行性能的影響相比前述的影響還是要小得多。
圖1 圓形截面浸潤面積小但隱身特性差
圖2 傾斜平面設計浸潤面積大但隱身特性好
雷達隱身要求對飛行器結構設計帶來的影響
傳統的結構設計的研究重點是在滿足總體氣動外形要求和結構強度/剛度要求的前提下, 得到最小的飛行器結構重量, 且要求構造簡單、成本低、壽命長。雷達隱身設計要求的引入, 給飛行器結構設計帶來了新的約束, 導致許多傳統的結構設計準則做出讓步。
首先是大型武器艙開口對結構完整性的破壞。碩大的艙門, 其剛度/強度設計、變形控制等要求非常高, 使設計變得非常困難。
單從力學和結構設計角度考慮, 曲面結構更有利于承受飛行器表面的氣動力, 而平面結構承載能力較差, 易失穩。為保證結構的強度和剛度, 一般情況下平面結構要付出更多的重量代價。但好在大多數常規飛機表面也多是曲面的, 在過去的結構設計中并未出現太多矛盾。現在為了滿足隱身要求, 氣動外形已基本為平面, 導致結構設計必須為之付出必要的重量代價 (圖3) 。
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飛行器尾舵純模態試驗
PART.4
結論
飛行器在飛行過程中，可能會受到多重極端的氣動加熱效應，引起飛行器結構的熱物理參數和力學性能的變化，造成結構彎曲、扭轉剛度的衰減，以及顫振安全邊界的降低，嚴重威脅著飛行器結構的安全性及可靠性。因此，準確、可靠地獲取飛行器尾舵系統的動態特性參數對工程師進行顫振特性分析及氣動伺服彈性分析來說，具有重要的工程意義。
依托漢航豐富的工程實踐經驗及堅實的理論基礎，使用漢航Hunter MF系列高精度數據采集硬件，結合NTS.LAB模態測試軟件，對尾舵系統進行純模態試驗，可以幫助工程師快速、高效地評估尾舵系統在不同工況和飛行條件下的穩定性和可靠性，最大程度地降低時間成本和經濟成本。通過分析尾舵系統的振動模態和頻率響應，可以確定系統的頻率、阻尼特性和模態耦合情況，從而評估系統是否滿足設計要求，并對系統的參數進行調整和優化，確保飛行器在各種飛行動作下的穩定性和操控性。
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展開 飛行器中的“精靈”——CA-X4810四旋翼飛行器
CA-X4810四旋翼飛行器的安裝結構簡單便捷，專利設計的盲孔插銷鎖定結構，實現2秒快速拆卸、安裝，并且在快速安裝結構的加持下，任務載荷的安裝也變得非常簡單，可以配備不同規格的光學吊艙，滿足拍攝、測距、紅外探測等多種需求，不同任務載荷可以滿足不同的需求，如：云臺相機的拍攝記錄、精準掃描等任務，滿足不同需求與應用場景！
文章來源：棲云航通
基于Nastran軟件的飛行器舵系統模態研究
摘 要：本文基于Nastran軟件的模態計算方法，研究了飛行器舵系統模態敏感因素，可以指導舵系統結構剛度設計，舵面剛度和舵軸剛度變化對舵系統旋轉頻率和彎曲頻率均有影響，其中對舵系統彎曲頻率影響相對較大；舵機剛度和搖臂剛度變化主要對舵系統旋轉頻率有影響，對彎曲頻率影響很小；舵軸軸承支撐剛度變化主要對舵系統彎曲頻率有影響，對旋轉頻率影響很小。
關鍵詞：Nastran；飛行器；舵系統；模態
1 引言
舵系統是飛行器控制系統的重要執行機構[1]，與以往傳統的飛行器結構相比，新型飛行器舵尺寸與質量占比越來越大，舵自身模態對整體結構姿態的影響較大，控制系統設計不準確，可能會導致產品飛行時失控[2]；同時，舵系統具有強非線性，飛行時，在氣動力作用下，舵系統低頻頻率可能會與飛行器彈性頻率耦合，導致飛行器失穩，當舵系統旋轉頻率和彎曲頻率靠近時可能會導致飛行器發生顫振破壞。
目前舵系統動力學特性主要是靠模態試驗驗證，缺少在舵系統設計完成之后即對模型進行動力學建模和分析評估[3]。舵系統涉及多個結構的配合并且有較多間隙，上述對舵系統動力學特性有較大影響；舵系統模態試驗不能考察系統各環節對舵系統整體動態特性的影響，而且工程實際中存在舵系統試驗模態值偏低及一致性較差的問題[4]。因此，有必要基于仿真計算方法對飛行器舵系統模態敏感因素進行研究，以便指導舵系統結構設計，滿足舵系統模態要求。
本文基于Nastran軟件的模態計算方法，開展理論分析及仿真計算研究，工程應用價值明顯。以某飛行器舵系統為研究對象，其主要由空氣舵（舵面和舵軸）、舵機和傳動機構組成，傳動機構包括舵軸支撐軸承、搖臂和銷軸等結構。舵系統工作模式是舵機將電能轉換為機械能產生直線運動，通過傳動機構帶動舵面偏轉。
展開 eVTOL電動垂直起降飛行器（免費領資料）
Lilium正在研發一款高性能的矢量推力eVTOL飛行器。諸如此類，不一而足。
無論其外形、推進系統或預期用途如何，對于任何城市空中交通飛行器而言，結構設計的完整性始終是首要考量之一。重量、有效載荷和續航耐久性要求等方面都面臨著挑戰。本期節目，我們將從復合材料和增材制造角度，探索eVTOL飛行器的結構設計。
5、eVTOL電動垂直起降電氣系統設計與合規認證
對于eVTOL飛行器，我們需要知道的是它沒有為液壓或氣動系統提供動能的發動機。一切都有賴于電氣系統。因此，整個行業都在尋求極致輕量的高功率電氣解決方案。
如何在不同系統之間達成最佳平衡，確保eVTOL飛行器能夠安全、高效地飛行？平臺開發商越來越多地采用多學科系統方法進行平臺開發，以優化關鍵性能指標。基于完整的數字化雙胞胎，用戶將能夠根據其所掌握的某個學科的特定創新將對另一學科的實施目標產生助益或阻礙的具體信息來擴展創意。
團隊對某個系統的優化，顯然不能以犧牲其他系統為代價。相反，我們必須通過應用多域方法，在所有的系統之間找到適當的平衡。
在本“創新”主題系列的最后一期節目中，我們將探索如何設計和制造適用于現代eVTOL飛行器的電氣系統，闡述功率管理的重要性，并探討為何電氣平臺的重量對eVTOL設計而言極其重要。鑒于所有這一切都離不開一個高度數字化的環境，我們將深入探索數字化的優勢 – 數字化不僅對電氣系統研發大有裨益，對合規審定同樣可發揮極大的優勢。
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展開 航空航天領域的飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學 算法特點，及圖形工作站硬件配置推薦
飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學直接觸及了航空航天領域仿真的技術核心。作為UltraLAB圖形工作站的廠商，精準把握這些算法的計算特性，是為客戶提供最優硬件解決方案的關鍵。
我將為您逐一解析這五大航空航天仿真領域。
核心結論速覽表
仿真領域核心算法/方法計算特點主要計算平臺備注飛行器氣動設計
計算流體力學 (CFD)
求解大型稀疏矩陣、高內存帶寬、網格規模巨大
CPU多核 ≈ GPU
GPU加速已成主流，尤其在RANS和LES中。CPU用于復雜前處理。
結構強度與疲勞
隱式有限元法
求解大型線性方程組、對內存和CPU頻率敏感
CPU多核為主，CPU單核為輔
CPU是絕對主力，GPU加速正在興起，但成熟度不如CFD。
燃燒與傳熱
CFD + 化學反應動力學
計算密度極高、多物理場強耦合、極大規模
CPU多核集群 >> GPU
傳統上依賴CPU集群，GPU加速是前沿方向，潛力巨大。
展開 推薦閱讀 | 寬速域飛行器發展及研究現狀綜述
圖17 變構型氣動布局示意圖[44]
Fig.17 Schematic diagram of variable configuration aerodynamic layout[44]
圖18 變后掠翼乘波體示意圖[45]
Fig.18 Schematic diagram of variable sweep wing waverider[45]
目前采用結構變形方式的飛行器構型均比較扁平，可裝載容積考慮欠缺，且大多只從單一飛行工況下驗證了升阻特性的可行性，而從飛行器工程化應用方面來看，結構變形對飛行器的結構強度要求較高，對飛行器氣動受力情況有較大的影響，因此在對結構變形飛行器的后續研究中，容積要求、氣動穩定性、密封性以及結構強度設計將成為研究難點。
為實現水平起降寬速域范圍的氣動要求甚至達到入軌要求，目前來說，兩級飛行器組裝比單一飛行器更容易實現。20世紀五六十年代，美國提出了可重復使用空天運載技術，半個多世紀來提出了許多項目和計劃。2016年，美國空軍提出基于佩刀動力和火箭動力的水平起降兩級入軌方案，其概念圖如圖19所示［1］。
圖19 美國2016年提出的兩級入軌概念圖[1]
Fig.19 Concept map of two-stage to orbit in the United States in 2016[1]
國內周嘉明等［46］設計了一種以乘波構型作為飛行器前體的兩級入軌空天飛機布局，并使得上表面部分融合，如圖20所示。
展開 吸氣式高超聲速飛行器設計中的一些概念研究
與火箭發動機相比，超燃沖壓發動機具備了許多優點，這種高超聲速吸氣式發動機[13]可以直接利用空氣中的氧，因此不需要攜帶氧化劑，這樣就減少了飛行重量，大大降低了飛行成本。
沖壓式噴氣發動機在飛行過程中靠吸入空氣來完成工作。這種吸氣式發動機是通過對吸入的氣流進行壓縮，加熱后把燃燒時產生的熱能轉化成為有用功。常規沖壓發動機其燃燒室內的氣流為亞聲速，而超燃沖壓發動機[13,14]（Scramjet）燃燒室內的氣流為超聲速。超燃沖壓發動機作為吸氣式發動機和渦輪吸氣發動機一樣，飛行時靠吸入并充分利用空氣中的氧氣來完成工作，這樣就不需要再攜帶氧化劑，從而使有效載荷提高[21]，不僅減少了飛行成本，而且大大縮短了建造周期，而這些正是火箭發動機所不及的。按照目前的發展趨勢可以預見，以超聲速燃燒為核心技術的沖壓發動機技術，其應用背景主要是高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機、空天飛機以及未來的以RBCC火箭基組合循環為動力的單級天地往返運輸系統，而最先得到應用的領域將是高超聲速巡航導彈。
在超燃沖壓發動機工作過程當中，氣流是以超音速流過燃燒室，因此氣流在燃燒室中的駐留時間非常短，這就對氣流和燃料的混合、點火、燃燒、防熱結構的設計以及控制等都提出了很高的要求。
在高超聲速飛行條件下，由于激波的損失、摩擦損失、附面層分離、激波與附面層干擾等因素的存在會導致飛行器阻力的顯著增加。超燃沖壓發動機在高超聲速飛行器中的合理布局可以明顯減小飛行器的阻力，使飛行器獲得較高的升阻比；同時，飛行器的外形、發動機在飛行器中的布局，對進入發動機氣流的流量大小、流場品質有重要影響，也影響到發動機出口氣流的膨脹，從而影響到發動機部件性能和總體性能，以及發動機的部件結構和總體結構。
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我國超高速風洞預計2022年建成，天地往返飛行器高超音速飛行器曝光
在央視報道中，出現了疑似中國新型天地往返飛行器和高超音速飛行器的影子。
風洞被譽為是飛行器的搖籃。在位于北京懷柔科學城，一支幾代人傳承的科研團隊打造出了最新一代JF-22超高速風洞將于明年建成。
飛行器在天上飛，空氣不動，但是我們在地面上的時候，沒有辦法讓飛行器去飛，需要做一個飛行器的模型固定在這，在風洞產生高速的氣流吹這個模型，模擬它在天上飛的過程，這個就是風洞。
爆轟驅動超高速高焓激波風洞簡稱為JF22超高速風洞于2018年3月正式啟動，現在已進入現場安裝階段，完成真空艙、試驗艙和噴管的安裝，并通過專家組中期檢查，將于2022年建成。
▲JF22超高速風洞儀器安裝現場
就是這樣一個項目，經歷數代研發者的不懈努力，在錢學森、郭永懷部署的戰略方向上一路攻關，從高溫材料、到異型構造、再到傳感器設計，科研團隊在無人區反復探索，終于實現了從理論創新到技術創新的跨越。
直到2012年，總長265米、試驗段直徑達3.5米的JF-12復現風洞研制成功，可復現5到9倍聲速的飛行條件，實驗時間超過100毫秒，比其它同類型的激波風洞提高1個量級，成為國際最大、整體性能最先進的激波風洞，為我國航空航天重大任務研制提供了關鍵支撐。
作為研制新一代飛行器的搖籃，JF-22超高速風洞可以復現相當于約30倍聲速的飛行條件。JF-22最核心的技術就是通過正向爆轟驅動器為基本功能，提供平穩的驅動氣流，風洞的試驗能力要比JF-12驅動能力提高10倍。
▲JF12復現風洞
中科院力學所研究員、懷柔激波風洞項目負責人姜宗林說，JF-22風洞的目標是助力天地往返系統，若成功可以把衛星和航天器發射費用減掉90%。
展開 仿生撲翼飛行器的控制系統
，其體型小且多采用柔性結構，易受擾動的影響，傳感器和執行機構隨著尺寸的減小性能急劇下降，需要更穩定的控制系統。
一種人工重力空間飛行器的初步設計
3.2 姿態軌道調整方案
總體飛行器的姿態控制和變軌調整完全依靠核心艙上的推進裝置，而推進裝 置能力大小則亦由任務目標而定。而飛行器的轉動則依靠軌道艙上的推進裝置來 實現或停止。由于整個空間飛行器質量很大(250 噸左右)，均需由較大推力的化學燃料發動機推進。
同時由于總體的半徑約為 25 米，若轉動角頻率為 0.2rad/s，亦即約 16 秒/ 周的旋轉速度，該轉動頻率相對人體舒適性很高同時其在外環軌道艙上可產生的加速度為 1m/s，即地表重力的 1/10 左右，但是由于實質上人對運動的敏感多來自距離，而其同樣自由落體運動相同距離的物體所花的時間僅約為地表的 3.1 倍左右，已足夠為空間生活工作帶來翻天覆地的變化。
3.3 空間對接方案
空間對接方案可有兩種：旋轉對接或者靜止對接。
在飛行器完全建成前其對接方式為靜止對接方式，飛行器整體并不會轉動，對接方式與當前國際上已大量實踐過的普通對接完全一致。在飛行器進行旋轉之后再次進行對接時需要設計建造新的適應于在自身旋轉的條件下進行對接的對接補給艙。來參與對接的對接補給艙在對接前須將自身與飛行器同速率同方向旋轉，這對對接技術提出了新的挑戰；同時若面對無法自身旋轉的對接補給艙時飛行器須在對接前逆向噴氣使其恢復靜止狀態。
3.4 內部布局方案
軌道艙Ⅰ作為實驗或交流艙室之用較為優勢；軌道艙Ⅱ則結構相對較簡單、內部空間更大，作為物資儲藏或生活艙室更有優勢。連接艙更多的作貯存燃料、電池以及通信、遙感等無需人來參與的功能之用。而核心艙在內在空間布局上僅需留出連接和行走用的窄小通道即可，更多的空間優先用于更堅固可靠的結構和 機動裝置。
3.5 應急預案
由于各艙室之間兩兩相連且艙門常閉，在遇到緊急情況（如火災、微流星或是近地太空垃圾等的撞擊等）時，只要核心艙未出現問題，至多需要將問題艙室解除連接拋棄即可。
展開 多旋翼+螺旋槳型eVTOL飛行器飛行性能簡要評估
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器實際上是電動版的復合式直升機。電動多旋翼相當于復合式直升機的單/雙旋翼，是專門用于提供升降力的推進器，電動螺旋槳是專門用于前向飛行的推進器，多旋翼的支撐結構可作為飛行短翼，在前向飛行時減輕多旋翼的升力負擔。
共軸雙槳復合式直升機
同多旋翼型 eVTOL飛行器和機翼+螺旋槳+多旋翼型eVTOL飛行器一樣，在此簡要評估一下此種類型 eVTOL 飛行器的飛行性能：
Eve Air Mobility Eve V3 網址：https://evtol.news/embraer/
垂直飛行性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，可靈活設計電動旋翼的直徑尺寸、功率載荷、旋翼數量，電動螺旋槳數量以及安裝位置、結構布局。
懸停狀態飛行：電動旋翼安裝位置距離飛行器重心遠，控制力矩大；電動旋翼在水平面上多位均勻布局，量化了方位角度，控制響應快；電動旋翼同型號的數量多，便于設計交替冗余使用。遇有強風干擾，電動螺旋槳能夠逆風推進，提高飛行器的抗風性能。
起降狀態飛行：垂直起飛時，電動螺旋槳能夠快速強力推進飛行器，加快從懸停到前飛狀態的過渡時間，減少懸停能量消耗；降落進近時，電動螺旋槳能反向推進為飛行器剎車，避免機頭上揚影響駕駛員著陸操縱視線。
前向飛行性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，專門由電動螺旋槳提供前向水平推進動力，能夠保持多旋翼槳盤平面處于水平狀態，使各個電動旋翼能夠均勻提供升力，避免了前后電動旋翼功率需求差異過大的困境。
電動旋翼支架結構能夠進行翼型設計，前向飛行時產生附加升力，提高飛行器的升阻比。
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