[科普中国]-阵风响应飞行试验

弹性机翼阵风响应和载荷减缓研究简介

飞机在大气紊流场中飞行时会发生紊流颠簸，紊流颠簸会产生以下影响：1) 增加飞机翼尖加速度；2) 增加翼根弯矩；3) 影响乘坐舒适性；4) 缩短结构的疲劳寿命。根据减缓目标的不同，阵风减缓可分为阵风响应减缓(GRA)和阵风载荷减缓(GLA)两部分。

从上世纪60年代起，针对航空飞行器采用主动控制技术进行阵风减缓成为飞行器设计领域的一大热点。上世纪60年代―70年代，美国在B-52、DHC-6和C-5A等机型上进行GRA和GLA风洞试验和飞行试验。上世纪80年代―90年代，美国、德国和日本针对大型飞机均开展了GRA和GLA的研究。B777和A320均采用阵风减缓系统，减小了阵风引起的WTA和WRBM。

进入21世纪，在欧洲主动气动弹性飞行器项目的资助下，Kapel等为了研究采用气动弹性技术获得更好的飞机设计方案，在Eu RAM气动弹性风洞模型上进行阵风减缓控制系统设计并进行风洞试验。2007年，美国完成了飞翼传感飞行器的气动弹性模型的风洞试验。风洞试验的内容包括GLA，希望通过阵风减缓降低结构质量从而增加飞行器的航程和承载能力。

国内关于阵风减缓方面的研究主要是采用不同的控制理论针对WTA或者WRBM进行单目标阵风减缓控制律设计，并在Matlab平台上进行仿真。国内到目前为止尚没有就同时减缓WTA和WRBM的控制律设计的研究。随着国家大型飞机的立项，阵风减缓技术的发展以及试验验证不可或缺。该研究针对某弹性机翼风洞模型，通过对比在不同控制律作用下的WTA和WRBM的理论计算结果与风洞试验数据，得出设计能够同时减缓WTA和WRBM的控制律的相关规律。1

研究结论针对弹性机翼风洞模型，采用频域方法进行气动伺服弹性系统建模以及阵风响应和阵风载荷分析。采用经典控制理论进行控制系统设计，并将设计的控制律应用于低速风洞试验。理论分析和风洞试验数据均表明：

(1) 针对多控制面弹性机翼，采用经典控制律理论设计的同时减小WTA和WRBM的阵风减缓控制律有效。

(2) 当来流速度为14m/s时，针对频率为2Hz―3Hz的阵风，阵风减缓控制律在低频段可使WTA和WRBM分别减小25%―35%和30%―40%。

(3) 当来流速度为10m/s―16m/s时，针对频率为2Hz的阵风，阵风减缓控制律可使WTA和WRBM分别减小27%―34%和30%―40%。

(4) 本算例中阵风减缓控制律在低频段对WTA的减缓效果直接影响该控制律对WRBM的减缓效果。故在进行阵风减缓控制律设计时，需要针对低频段设计出能够显著减小WTA的控制律。相关的工作对工程实际中采用阵风减缓技术具有参考价值。1

微型飞行器垂直阵风响应特性的实验研究简介微型飞行器是一种新型的飞行器，因其体积小、重量轻、使用灵活、成本低，故可广泛应用于军、民用领域的侦察、通讯、搜救、勘测等领域。由于其飞行速度较低，与风速在同一量级，且主要活动空间为湍流多发的超低空环境，所以阵风是对其稳定、安全飞行影响最大的因素之一。阵风的影响体现在改变来流速度和改变来流方向两方面。由于低雷诺数下空气的黏性效应和非定常效应显著，雷诺数发生微小的改变也可能会导致微型飞行器气动性能、稳定性和操纵性的急剧恶化。而来流方向的改变更直接影响了微型飞行器的实际迎角。垂直阵风在改变来流速度的同时也改变了来流方向，因此微型飞行器要走向实用化，其对垂直阵风的适应能力是必须解决的关键问题。

Florida大学、Notre Dame大学和美国空军实验室开展研究结果表明柔性翼微型飞行器有更好的阵风适应能力和平稳飞行能力。在低雷诺数风洞对一种自行设计的柔性翼微型飞行器进行了国内首次垂直阵风试验，并与翼型、机翼平面形状和尺寸大小均相同的固定翼飞行器进行了性能对比。2

研究结果为提高 MAV 的稳定性和抗风能力，进行了柔性翼微型飞行器的垂直阵风风洞试验研究，并与刚性翼微型飞行器进行对比研究。试验结果表明：垂直阵风环境下微型飞行器气动特性数值变动剧烈，且振幅较大。试验所用这种柔性结构微型飞行器在来流角度较大、且变动剧烈的情况下，由于后缘的变形翘起，延缓了失速。阻力较小，有利于长时间飞行。俯仰力矩在峰值回落后会出现平台期，纵向稳定性良好。PIV试验揭示柔性变形有助于延迟翼面上的流动分离，但本次实验还未涉及机翼变形量的影响，柔性翼的弹性模量和变形量与气动特性的关系将在今后研究工作中给出。2