 
		
 
					兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 2245-2262.doi: 10.12382/bgxb.2022.0282
        
               		杜万闪1, 周洲1,*( ), 拜昱1, 张志林2, 王科雷1
), 拜昱1, 张志林2, 王科雷1
                  
        
        
        
        
    
收稿日期:2022-04-20
									
				
									
				
									
				
				
											上线日期:2023-08-30
									
			通讯作者:
					基金资助:
        
               		DU  Wanshan1, ZHOU  Zhou1,*( ), BAI  Yu1, ZHANG  Zhilin2, WANG  Keilei1
), BAI  Yu1, ZHANG  Zhilin2, WANG  Keilei1
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-04-20
									
				
									
				
									
				
				
											Online:2023-08-30
									
			摘要:
为精确、完整地描述组合式多体飞行器空间运动位形,基于拟坐标形式的Lagrange方程提出反映相对滚转运动的8自由度组合式三体飞行器动力学建模方法。采用计算流体力学方法建立考虑气动耦合效应的组合式飞行器系统气动力数据库。通过算例将所建模型与ADAMS软件的仿真结果进行对比,验证所建模型的准确性。在此基础上,进行配平方案及飞行力学特性研究,分析比较飞行器在不同配平状态的动力学特性,并基于串级PID控制方法进行增稳控制研究。研究结果表明:所建模型有效反映了组合式飞行器的相对运动;在给定配平方案及飞行工况后,该构型飞行器存在“对称下反”和“对称上反”两个配平状态,在两个状态下的相对滚转运动静稳定性显著不同;除了传统飞行力学模态,该构型飞行器还存在由相对滚转运动主导的4个新生运动模态,按运动特性可分为复合对称运动和复合反对称运动两类;针对在无控状态下该构型飞行器无法长期保持稳定飞行的问题,所提增稳控制方案合理有效,可以快速镇定发散的飞行力学系统;所提建模方法和增稳控制方案可为多体飞行器设计分析提供指导和参考。
中图分类号:
杜万闪, 周洲, 拜昱, 张志林, 王科雷. 组合式飞行器多体动力学建模与飞行力学特性[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2245-2262.
DU Wanshan, ZHOU Zhou, BAI Yu, ZHANG Zhilin, WANG Keilei. Study on Multibody Dynamics Modeling and Flight Dynamic Characteristics of Combined Aircraft[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(8): 2245-2262.
| 参数 | 数值 | 
|---|---|
| 质量/kg | 3.75 | 
| 参考展长/m | 3.2 | 
| 平均气动弦长/m | 0.3 | 
| 展弦比 | 10.6 | 
| 参考面积/m2 | 0.87 | 
| 对轴Ox的惯量Ixx/(kg·m2) | 0.734 | 
| 对轴Oy的惯量Iyy/(kg·m2) | 0.41 | 
| 对轴Oz的惯量Izz/(kg·m2) | 1.1 | 
| 对轴Oz和Ox的惯性积Izx/(kg·m2) | -0.01 | 
表1 飞行单元基本参数
Table 1 Basic parameters of single aircraft
| 参数 | 数值 | 
|---|---|
| 质量/kg | 3.75 | 
| 参考展长/m | 3.2 | 
| 平均气动弦长/m | 0.3 | 
| 展弦比 | 10.6 | 
| 参考面积/m2 | 0.87 | 
| 对轴Ox的惯量Ixx/(kg·m2) | 0.734 | 
| 对轴Oy的惯量Iyy/(kg·m2) | 0.41 | 
| 对轴Oz的惯量Izz/(kg·m2) | 1.1 | 
| 对轴Oz和Ox的惯性积Izx/(kg·m2) | -0.01 | 
| CFD仿真内容 | 气动参数 | 计算方法 | 
|---|---|---|
| 基本气动参数项 | CD0、CL0等 | 雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方法 | 
| 气动耦合项 | C 、C 等 | |
| 静导数项 | CDα、CLα等 | |
| 操纵导数项 | C 、C 等 | |
| 动导数项 | CLq、CYp等 | 涡格法 | 
表2 气动力数据库建立方法
Table 2 Method of establishing aerodynamic database
| CFD仿真内容 | 气动参数 | 计算方法 | 
|---|---|---|
| 基本气动参数项 | CD0、CL0等 | 雷诺平均Navier-Stokes (RANS)方法 | 
| 气动耦合项 | C 、C 等 | |
| 静导数项 | CDα、CLα等 | |
| 操纵导数项 | C 、C 等 | |
| 动导数项 | CLq、CYp等 | 涡格法 | 
| 初始状态 | ϕba/(°) | ϕca/(°) | 
|---|---|---|
| 1 | 10 | -10 | 
| 2 | -10 | 10 | 
表3 不同初始状态的相对滚转角
Table 3 Relative roll angles at different initial states
| 初始状态 | ϕba/(°) | ϕca/(°) | 
|---|---|---|
| 1 | 10 | -10 | 
| 2 | -10 | 10 | 
| 未知配平量 | 配平状态1 | 配平状态2 | 
|---|---|---|
| 升降舵偏角/(°) | -0.2622 | -0.1347 | 
| 油门杆操纵量/% | 35.5 | 35.5 | 
| 方向舵偏角/(°) | 0 | 0 | 
| 飞行单元a副翼偏角/(°) | 0 | 0 | 
| 飞行单元b副翼偏角/(°) | 1.6809 | 2.0557 | 
| 飞行单元c副翼偏角/(°) | -1.6809 | 2.0557 | 
| 相对滚转角ϕba/(°) | 6.4393 | -6.6386 | 
| 相对滚转角ϕca/(°) | -6.4393 | 6.6386 | 
表4 配平分析结果
Table 4 Result of trim analysis
| 未知配平量 | 配平状态1 | 配平状态2 | 
|---|---|---|
| 升降舵偏角/(°) | -0.2622 | -0.1347 | 
| 油门杆操纵量/% | 35.5 | 35.5 | 
| 方向舵偏角/(°) | 0 | 0 | 
| 飞行单元a副翼偏角/(°) | 0 | 0 | 
| 飞行单元b副翼偏角/(°) | 1.6809 | 2.0557 | 
| 飞行单元c副翼偏角/(°) | -1.6809 | 2.0557 | 
| 相对滚转角ϕba/(°) | 6.4393 | -6.6386 | 
| 相对滚转角ϕca/(°) | -6.4393 | 6.6386 | 
| 运动模态 | “对称下反”配平点1 | “对称上反”配平点2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 特征根 | 模态特征 | 阻尼比 | 时间常数/s | 特征根 | 模态特征 | 阻尼比 | 时间常数/s | |
| 短周期模态 | -7.1334±5.9653j | 收敛 | 0.7671 | 1.0533 | -7.1254±5.8959j | 收敛 | 0.7704 | 1.0657 | 
| 长周期模态 | -0.0363±0.9628j | 收敛 | 0.0377 | 6.5260 | -0.0372±0.9639j | 收敛 | 0.0386 | 6.5185 | 
| 滚转模态 | -56.2923 | 收敛 | 1 | 0.0123 | -57.9442 | 收敛 | 1 | 0.0120 | 
| 螺旋模态 | 0.1874 | 发散 | 1 | 3.6988 | -0.1297 | 收敛 | 1 | 5.3442 | 
| 荷兰滚模态 | -0.6013±0.5190j | 收敛 | 0.7570 | 12.1063 | -0.3580±0.7475j | 收敛 | 0.4319 | 8.4056 | 
| 复合对称运动模态1 | -17.288 | 收敛 | 1 | 0.0401 | -17.8852 | 收敛 | 1 | 0.0388 | 
| 复合对称运动模态2 | -0.1579 | 收敛 | 1 | 4.3898 | 0.1200 | 发散 | 1 | 5.7762 | 
| 复合反对称运动模态1 | -9.4704 | 收敛 | 1 | 0.0732 | -9.6093 | 收敛 | 1 | 0.0721 | 
| 复合反对称运动模态2 | -0.3058 | 收敛 | 1 | 2.2667 | 0.2888 | 发散 | 1 | 2.4001 | 
表5 配平状态运动模态分析
Table 5 Motion mode analysis of trim states
| 运动模态 | “对称下反”配平点1 | “对称上反”配平点2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 特征根 | 模态特征 | 阻尼比 | 时间常数/s | 特征根 | 模态特征 | 阻尼比 | 时间常数/s | |
| 短周期模态 | -7.1334±5.9653j | 收敛 | 0.7671 | 1.0533 | -7.1254±5.8959j | 收敛 | 0.7704 | 1.0657 | 
| 长周期模态 | -0.0363±0.9628j | 收敛 | 0.0377 | 6.5260 | -0.0372±0.9639j | 收敛 | 0.0386 | 6.5185 | 
| 滚转模态 | -56.2923 | 收敛 | 1 | 0.0123 | -57.9442 | 收敛 | 1 | 0.0120 | 
| 螺旋模态 | 0.1874 | 发散 | 1 | 3.6988 | -0.1297 | 收敛 | 1 | 5.3442 | 
| 荷兰滚模态 | -0.6013±0.5190j | 收敛 | 0.7570 | 12.1063 | -0.3580±0.7475j | 收敛 | 0.4319 | 8.4056 | 
| 复合对称运动模态1 | -17.288 | 收敛 | 1 | 0.0401 | -17.8852 | 收敛 | 1 | 0.0388 | 
| 复合对称运动模态2 | -0.1579 | 收敛 | 1 | 4.3898 | 0.1200 | 发散 | 1 | 5.7762 | 
| 复合反对称运动模态1 | -9.4704 | 收敛 | 1 | 0.0732 | -9.6093 | 收敛 | 1 | 0.0721 | 
| 复合反对称运动模态2 | -0.3058 | 收敛 | 1 | 2.2667 | 0.2888 | 发散 | 1 | 2.4001 | 
| 配平状态 | 运动模态 | Δpa | Δϕa | Δqa | Δθa | Δra | Δψa | Δωba | Δϕba | Δωca | Δϕca | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| “对称下反” 配平点1 | 复合对称运动 模态1 | -1.90× 10-15 | 1.10× 10-16 | -0.0244 | 0.0014 | 2.37× 10-18 | -1.37× 10-19 | 0.5766 | -0.0334 | -0.5766 | 0.0334 | 
| 复合对称运动 模态2 | 1.01× 10-15 | -1.07× 10-14 | -0.0007 | 0.0043 | -3.79× 10-15 | 2.39× 10-14 | 0.0942 | -0.5962 | -0.0942 | 0.5962 | |
| 复合反对称 运动模态1 | -0.7885 | 0.0833 | -1.21× 10-15 | 9.12× 10-17 | -0.0488 | 0.0052 | 0.4221 | -0.0446 | 0.4221 | -0.0446 | |
| 复合反对称 运动模态2 | -0.1118 | 0.3658 | -8.87× 10-16 | 1.32× 10-15 | -0.0208 | 0.0681 | 0.1840 | -0.6018 | 0.1840 | -0.6018 | |
| “对称上反” 配平点2 | 复合对称 运动模态1 | -1.89× 10-16 | 1.39× 10-18 | -0.0261 | 0.0015 | 1.10× 10-16 | -6.16× 10-18 | -0.5566 | 0.0311 | 0.5566 | -0.0311 | 
| 复合对称 运动模态2 | -5.98× 10-14 | -5.05× 10-13 | -0.0026 | -0.0216 | -1.27× 10-14 | -1.06× 10-13 | 0.0755 | 0.6291 | -0.0755 | -0.6291 | |
| 复合反对称 运动模态1 | -0.7924 | 0.0825 | 1.07× 10-14 | -1.07× 10-15 | -0.0486 | 0.0051 | 0.3863 | -0.0402 | 0.3863 | -0.0402 | |
| 复合反对称 运动模态2 | 0.1039 | 0.3596 | -5.83× 10-14 | -2.06× 10-13 | -0.0345 | -0.1195 | -0.1795 | -0.6214 | -0.1795 | -0.6214 | 
表6 新生运动模态特征向量分析
Table 6 Feature vector analysis of new motion modes
| 配平状态 | 运动模态 | Δpa | Δϕa | Δqa | Δθa | Δra | Δψa | Δωba | Δϕba | Δωca | Δϕca | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| “对称下反” 配平点1 | 复合对称运动 模态1 | -1.90× 10-15 | 1.10× 10-16 | -0.0244 | 0.0014 | 2.37× 10-18 | -1.37× 10-19 | 0.5766 | -0.0334 | -0.5766 | 0.0334 | 
| 复合对称运动 模态2 | 1.01× 10-15 | -1.07× 10-14 | -0.0007 | 0.0043 | -3.79× 10-15 | 2.39× 10-14 | 0.0942 | -0.5962 | -0.0942 | 0.5962 | |
| 复合反对称 运动模态1 | -0.7885 | 0.0833 | -1.21× 10-15 | 9.12× 10-17 | -0.0488 | 0.0052 | 0.4221 | -0.0446 | 0.4221 | -0.0446 | |
| 复合反对称 运动模态2 | -0.1118 | 0.3658 | -8.87× 10-16 | 1.32× 10-15 | -0.0208 | 0.0681 | 0.1840 | -0.6018 | 0.1840 | -0.6018 | |
| “对称上反” 配平点2 | 复合对称 运动模态1 | -1.89× 10-16 | 1.39× 10-18 | -0.0261 | 0.0015 | 1.10× 10-16 | -6.16× 10-18 | -0.5566 | 0.0311 | 0.5566 | -0.0311 | 
| 复合对称 运动模态2 | -5.98× 10-14 | -5.05× 10-13 | -0.0026 | -0.0216 | -1.27× 10-14 | -1.06× 10-13 | 0.0755 | 0.6291 | -0.0755 | -0.6291 | |
| 复合反对称 运动模态1 | -0.7924 | 0.0825 | 1.07× 10-14 | -1.07× 10-15 | -0.0486 | 0.0051 | 0.3863 | -0.0402 | 0.3863 | -0.0402 | |
| 复合反对称 运动模态2 | 0.1039 | 0.3596 | -5.83× 10-14 | -2.06× 10-13 | -0.0345 | -0.1195 | -0.1795 | -0.6214 | -0.1795 | -0.6214 | 
| 运动模态 | 特征根 | 模态特征 | 
|---|---|---|
| 短周期模态 | -1.0419±2.1693j | 收敛 | 
| 长周期模态 | 0.0643±0.0489j | 发散 | 
| 滚转模态 | -4.4588 | 收敛 | 
| 荷兰滚模态 | -0.2048±0.8746j | 收敛 | 
| 复合运动模态1 | -0.9696 | 收敛 | 
| 复合运动模态2 | 0.9625 | 发散 | 
表7 双机组合运动模态
Table 7 Motion modes of combined two-body aircraft
| 运动模态 | 特征根 | 模态特征 | 
|---|---|---|
| 短周期模态 | -1.0419±2.1693j | 收敛 | 
| 长周期模态 | 0.0643±0.0489j | 发散 | 
| 滚转模态 | -4.4588 | 收敛 | 
| 荷兰滚模态 | -0.2048±0.8746j | 收敛 | 
| 复合运动模态1 | -0.9696 | 收敛 | 
| 复合运动模态2 | 0.9625 | 发散 | 
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