中文题名: | 跨介质推进翼飞行器特性分析与出入水控制 |
姓名: | |
学号: | BX1901009 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 082501 |
学科名称: | 工学 - 航空宇航科学与技术 - 飞行器设计 |
学生类型: | 博士 |
学位: | 工学博士 |
入学年份: | 2019 |
学校: | 南京航空航天大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 直升机空气动力学与飞行力学 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
完成日期: | 2023-12-26 |
答辩日期: | 2023-12-16 |
外文题名: |
Research on Characteristics and Trans-media Control of Trans-media Water-air Amphibious Vehicle with Propulsion Wing |
中文关键词: | |
外文关键词: | Trans-media Flying Submerged Vehicle design ; Cross flow fan ; flight dynamics ; water entry and exit transition ; wind tunnel testing ; Numerical simulation of water entry and exit transition |
中文摘要: |
跨介质飞行器是一种可在水气介质巡航并能多次自由穿越水/空气界面的一体化多功能新型装备,综合了空中飞行器和水下潜航器的优势,兼具空中飞行速度快、机动性好和水下潜航隐蔽性好、航时长等特殊性能。跨介质飞行器作为一种新概念飞行器,存在多学科交叉,仍有跨介质高效推进技术、变介质飞行动力学建模技术及出入水过渡控制等关键技术有待突破。因此,本文针对跨介质推进翼飞行器的单一动力体系推进装置工作原理、飞行器的建模原理及飞行器出入水鲁棒控制原理等关键科学问题,开展了跨介质推进翼飞行器理论分析、数值模拟和实验等研究。 以20kg级跨介质推进翼飞行器原理样机为对象,进行总体构型选择,采用统计和理论分析相结合的方法进行总体参数选择,在此基础上进行跨介质推进翼飞行器气动布局设计,进行了重量、重心、浮心设计;其次,从翼型选择、平面形状设计、横流风扇设计等角度,设计了推进翼外形;再次,考虑到推进翼在不同介质中高效率运行需用扭矩差距大,而直驱电机难以高效率匹配的难题,提出了一种单向行星齿轮减速器设计,实现了电机-推进翼在两种介质中的高效率匹配,完成了不同介质中动力系统的融合;最后,确定了20kg级原理样机的设计方案。 为了解推进翼在水气两种介质中运动的流体动力特性的显著差异,验证作为跨介质飞行器推进系统的潜力,从基本的空气动力学/水动力学原理出发,结合实验分析和CFD数值模拟,探索推进翼在不同介质中的流动机理,发展了一套推进翼流体动力快速计算模型与分析方法,设计了推进翼流体动力实验装置,通过推进翼在不同介质中流体动力特性随转速、迎角和来流速度的变化的实验研究,验证了流体动力特性的正确性。 建立了跨介质推进翼飞行器的飞行动力学模型,可有效模拟跨介质飞行器出入水过渡时导致的近水面流体动力变化、水下附加质量变化及出入水浮力变化对操纵及稳定性的影响。详细分析了机身所受到的流体动力,采用位置导数和旋转导数分别表示飞行器受到的位置力和旋转阻尼力,建立了跨介质飞行器的机身模型。引入相对出水高度 揭示了推进翼出入水过渡时近水面的气液耦合机理,归纳出推进翼地面效应、水面效应、出入水过渡、天花板效应及飞行器流体动力学状态量随出入水过程的变化规律。首先,采用基于滑移网格技术生成围绕推进翼二维翼型的网格系统,利用VOF模型捕捉气液两相的耦合界面,建立适用模拟推进翼出入水的非定常数值模拟方法,研究了推进翼出入水过渡的气液耦合特性;其次,采用基于重叠网格技术生成围绕跨介质推进翼飞行器(不包括推进翼的横流风扇)的三维网格系统,建立其出入水的非定常数值模拟方法,研究了其出入水过程的机体载荷、流场等。 为了实现飞行器反复介质跨越,建立了跨介质推进翼飞行器的操纵策略及控制方法。在飞行器基准运动的基础上,确定本文飞行器固定姿态低速垂直出入水的介质跨越方案,并分析了其出入水的操纵策略,分别基于PID方法和ADRC方法设计跨介质运动控制器,实现了空中、水下和出入水过渡过程的一体化控制。仿真结果表明,ADRC方法具有更好的出入水控制性能,跟踪效果较好,俯仰角变化平稳,验证了设计的技术验证样机控制方案的可行性,具备重复出入水功能,满足介质跨越时间低于8s的设计要求。 |
外文摘要: |
The cross-medium aircraft is a novel, integrated, and multifunctional equipment capable of cruising in both air and water mediums, and freely crossing the air-water interface multiple times. It combines the advantages of traditional aircraft and underwater submersibles, possessing characteristics like high-speed flight, excellent maneuverability, underwater stealth, and long endurance. As a new concept aircraft, the cross-medium aircraft lies at the intersection of multiple disciplines. It still faces challenges, such as efficient cross-medium propulsion technology, hydro-air coupled flight dynamics modeling, and control mechanisms for transitioning between air and water environments. Building upon the research on tilt-quadcopters and fan-wing aircraft, this thesis employs a combination of theoretical analysis, numerical simulations, and experimental methods to investigate this issue. Taking a 20kg-class cross-medium propulsion wing aircraft prototype as the object, the study begins with overall configuration selection using a combined approach of statistical and theoretical analysis for overall parameter selection. Based on this, the aerodynamic layout of the cross-medium propulsion wing aircraft is designed, considering weight, center of gravity, and buoyancy. Next, the outer shape of the propulsion wing is designed from the perspectives of wing selection, planform shape design, and fan-wing design. To address the challenge of significant torque differences required for efficient operation in different mediums, a unidirectional planetary gear reducer design is proposed. This design achieves efficient matching between the motor and the propulsion wing in two different media, completing the integration of the power system for different environments. Finally, a conceptual design plan for a principle prototype is obtained. Through experimental analysis and computational fluid dynamics (CFD) numerical simulations based on fundamental aerodynamics/hydrodynamics principles, the study explores the flow mechanisms of the propulsion wing in different mediums, A set of rapid calculation model and analysis method for propulsion wing fluid dynamics is developed, and an experimental device for propulsion wing fluid dynamics is designed. The correctness of hydrodynamic characteristics of propulsion wing in different media is verified by experimental research on the variation of hydrodynamic characteristics with speed, Angle of attack and incoming flow velocity. Built upon the concept of component-based modeling, a comprehensive nonlinear flight dynamics model suitable for cross-medium propelled-wing aircraft was established. The fluid dynamics acting on the fuselage were analyzed in detail. Position derivatives and rotational derivatives were employed to represent the positional forces and rotational damping forces, respectively, resulting in the formulation of the fuselage model for the cross-medium aircraft. Introducing the relative water exit height, a mathematical model incorporating additional mass, buoyancy, fluid dynamic coefficients, and torque coefficients with respect to the relative water exit height was developed. Trim results for airborne, underwater, and the transition between the two verified the rationality of the cross-medium propelled-wing aircraft design and its hovering capability. The gas-liquid coupling mechanism near the water surface is revealed, and the ground effect, water surface effect, water entry and exit transition, ceiling effect and hydrodynamic state quantity of the propulsion wing change with the water entry and exit transition are summarized. Initially, a grid system around the two-dimensional wing profile of the propulsion wing was generated using a slip mesh technique. The Volume of Fluid (VOF) model was utilized to capture the coupled interface between air and liquid, establishing a numerical simulation method suitable for simulating the unsteady water entry of the propulsion wing. Subsequently, employing an overlapping mesh technique, a three-dimensional grid system around the cross-medium propelled-wing aircraft (excluding the transverse flow fan of the propulsion wing) was created. A numerical simulation method suitable for simulating the unsteady water entry and exit processes of the cross-medium propelled-wing aircraft, including body loads and flow fields, was established. Finally, based on the above calculations, the flight dynamics model was revised through data fitting. To achieve repeated cross-medium transitions for the aircraft, an analysis of the stability of the cross-medium propelled-wing aircraft was conducted based on the baseline motion of the aircraft. The thesis determined a cross-medium transition scheme for the fixed attitude, low-speed, vertical water entry, and analyzed its water entry manipulation strategy. Motion controllers for cross-medium transitions were designed based on the Proportional-Integral-Derivative (PID) method and Active Disturbance Rejection Control (ADRC) method, achieving integrated control during airborne, underwater, and transition processes. Simulation results demonstrated that the ADRC method exhibited better water entry control performance with a smooth pitch angle variation. The feasibility of the proposed technical verification prototype control scheme was verified, demonstrating repeated water entry capability, meeting the design requirement of a cross-medium transition time less than 8 seconds. |
参考文献: |
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中图分类号: | V212.4 |
馆藏号: | 2024-001-0003 |
开放日期: | 2024-07-09 |