基于分岔理论的大展弦比飞翼无人机非线性动力学分析和实验研究北京市自然科学基金本科生“启研”计划

20251129

科学研究和技术服务业

本项目已形成较为扎实的技术基础，整体技术成熟度处于实验室验证到半工程化验证阶段（TRL 4–5）。在建模方面，通过风洞试验数据、涡格法动导数计算结果以及螺旋桨动力试验数据，本研究建立了一套高精度、可扩展的矢量双旋翼飞翼无人机非线性飞行动力学模型。该模型能够覆盖全迎角、全侧滑、强耦合等典型非线性区间，其气动与动力模块均实现参数化和独立化，可在不同构型之间快速移植，具备较强的工程复用性。同时，模型以 Matlab 函数和 Simulink 双形式实现，使其既能够用于理论分析与仿真研究，也可嵌入半实物仿真或初级控制律验证环境，为后续工程化应用奠定了可靠的工具基础。 在分析方法层面，项目已构建起一套完整的基于分岔理论的飞行器非线性动力学分析流程，涵盖操纵面单参数延拓、带约束配平与稳定性分析、极限环与失稳行为识别、振幅谱及庞加莱截面计算等关键环节。该方法能够对复杂飞行状态进行全局稳定性预测，并对危险模态及失稳前兆实现定量识别，使本成果在技术成熟度上已超越单纯理论研究，具备直接服务于工程设计和安全评估的能力。相关分析流程经过系统性验证，可在其他非常规布局飞行器上复用，为后续产业化或型号化研究提供了可依托的技术路线。 在应用基础方面，本项目成果已通过实机试飞完成有关结论的验证，试飞结果与分析高度一致，证明了本项目成果在真实飞行环境下的有效性，使其技术成果从理论突破进一步走向可工程验证的阶段。 整体而言，本项目已具备较完整的模型体系、分析方法与实验验证闭环，技术基础扎实可靠，可直接作为飞翼类非常规构型无人机进一步工程应用、控制律开发以及飞行安全包线构建的起点，具有良好的转化前景。

本项目在建模方法、分析流程和试飞验证方面已具备较好的技术基础，但若要进一步推进成果的工程化应用与产业化落地，仍需依托合作单位在资金投入、试验条件和工程化能力方面的支持。首先，成果转化需要一定的研发与试验经费，用于支持后续的模型工程化改造、仿真系统集成、原型机优化设计以及额外的飞行试验验证等工作，以确保技术能够从实验室级别平稳迈向工程应用阶段。其次，合作单位应具备必要的试验场地与试验平台，包括适用于不同速度与姿态范围的飞行测试空域、地面试验场地、风洞资源或高保真仿真测试环境等条件，以便推进模型在更复杂场景下的验证与扩展。同时，本成果在转化过程中需要依托具备无人机总体设计、飞行控制系统研发以及系统集成能力的工程技术团队，能够在动力学建模、控制律设计、结构与气动优化以及试飞组织等方面与科研团队形成协同。此外，合作单位若配备适当的飞行试验设备，如通用测试无人机平台、数据链、姿态与载荷测量系统、地面监控与安全保障系统等，将有助于提升成果转化的效率与覆盖范围。综合而言，本成果转化需要合作方在资金、场地、设备和工程人员等方面形成匹配支撑，以共同推动非线性动力学建模方法和分析技术在飞翼构型无人机乃至更广泛非常规布局飞行器中的工程化应用。

可国（境）内外转让

本项目成果的转化将显著提升非常规构型无人机在设计、控制与安全评估方面的技术水平，并为相关产业带来直接的工程与经济效益。在技术层面，基于本研究形成的非线性动力学建模与分岔分析方法，可大幅提高飞行器在早期方案设计阶段的预测精度，减少传统依赖大量物理试验才能识别的失稳风险，使复杂构型无人机的研发周期明显缩短。对于飞控系统开发而言，完整的非线性模型和稳定性图谱可为控制律整定提供定量依据，提高控制系统对大迎角、强耦合等工况的适应性，从而提升飞行安全性和可操作性。在工程应用层面，该成果能够帮助企业降低样机开发与试飞成本，通过数字化方法提前识别危险模态，减少原型机损毁和飞行事故风险，提高装备研制过程的可靠性。对于产业层面，转化后的技术可在飞翼无人机、高机动无人机、垂直起降复合翼、多旋翼/固定翼混合构型等多个前沿方向推广应用，具有显著的通用性与扩展潜力，将推动非常规布局飞行器的技术进步，加速行业向更高效、更安全、更智能的方向发展。同时，该成果在工具链、建模框架与分析方法上的普适性也具备持续输出能力，可为企业带来可复制的技术平台效益，形成长期稳定的技术价值回报。综上，本成果的转化不仅能够带来直接的工程效益，也将在科研、产业和应用层面产生持续的综合收益。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

飞翼无人机具有优异的气动效能与隐身性能，是新一代航空装备发展的重点方向。然而，该构型具有偏航静稳定性不足、操纵效能低以及纵向与横航向耦合等特性，这使得其易诱发失稳模态，对飞行安全构成了严峻挑战。同时，由于控制面间存在相互干扰、大迎角下气动非线性等原因，无法使用传统的线性化小扰动方法对其展开飞行动力学研究。针对这一问题，本研究以飞翼布局矢量双旋翼验证机为研究对象，系统开展非线性动力学研究。首先，基于风洞试验数据与涡格法计算结果，构建了包含非线性特性的气动导数模型，并结合螺旋桨动力试验数据与飞机六自由度运动学和动力学方程，建立了无人机飞行动力学模型。其次，采用分岔分析方法，对无人机操纵面进行了单参数延拓，初步评估了操纵效能；生成了全迎角范围内无人机定直平飞稳定性配平曲线，验证了其悬停-平飞模态转换的可行性，同时揭示了该构型无人机存在阻尼小、飞行品质低于常规布局无人机等特性，并通过特征根随参数的演化分析揭示了失速后的运动规律，进一步的，通过试飞实验研究了无人机的平飞性能；生成了无人机定速协调转弯稳定性配平曲线，发现临近失速迎角时会出现超临界霍普夫分岔现象，通过绘制振幅分岔图，发现了霍普夫分岔点后的倍周期分岔现象以及通向混沌的演化路径，完整观测到从极限环运动到多周期运动直至混沌的动力学行为转变。本研究获得的动力学特性结论，不仅丰富了对矢量飞翼构型非线性行为的理论认知，更为此类无人机的控制律设计和飞行安全评估提供了重要依据。