劉尚民, 孫健, 劉朝君

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所, 陜西 西安 710089)

大展弦比飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)飛行控制技術(shù)研究

劉尚民, 孫健, 劉朝君

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 飛機(jī)所, 陜西 西安 710089)

飛翼布局飛機(jī)由于采用了翼身融合技術(shù)和無(wú)尾布局,具有隱形特性,軍事和民用的應(yīng)用潛力十分巨大。由于飛翼布局飛機(jī)本體靜穩(wěn)定性差,航向又不穩(wěn)定,不易操縱,因此需要解決控制律和多操縱面的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。以一種大展弦比飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)為研究對(duì)象,開(kāi)展了大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)研究。通過(guò)仿真手段,驗(yàn)證了所提出的飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行控制及多操縱面協(xié)調(diào)控制技術(shù)的合理性。

飛翼布局; 控制律; 多操縱面協(xié)調(diào)控制

0 引言

美國(guó)在飛翼布局作戰(zhàn)飛機(jī)及無(wú)人機(jī)研制方面已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展,在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,多次出動(dòng)B2遠(yuǎn)程轟炸機(jī)對(duì)軍事目標(biāo)進(jìn)行轟炸,取得了戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán),展示了遠(yuǎn)程隱形轟炸機(jī)的優(yōu)越性和優(yōu)勢(shì)。美國(guó)利用X-48開(kāi)展了飛翼布局的氣動(dòng)和飛行控制技術(shù)研究,X-47B無(wú)人機(jī)在航母上成功起飛和著艦的高姿態(tài)亮相,為發(fā)展艦載作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)提供了發(fā)展方向,飛翼布局隱形作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中是必不可少的利器。

飛翼布局飛行器由于采用翼身融合和無(wú)尾布局設(shè)計(jì),隱形能力好,同時(shí)減輕了飛機(jī)的重量,誘導(dǎo)阻力小,升阻比高,這是飛翼布局飛機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)[1]。但飛翼布局飛機(jī)是無(wú)尾布局,航向穩(wěn)定性較差,低速時(shí)縱向操縱效率較低,需要多翼面協(xié)調(diào)控制。如何解決飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù),改善飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行品質(zhì),則需要進(jìn)一步的研究。

鑒于飛翼布局飛行器的諸多優(yōu)勢(shì),近年來(lái)許多國(guó)家將飛翼布局設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在無(wú)人機(jī)研究領(lǐng)域。針對(duì)飛翼布局無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特性,本文以一種大展弦比飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)為研究對(duì)象,利用飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)工程估算的氣動(dòng)數(shù)據(jù),建立了飛行動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)氣動(dòng)特性和無(wú)人機(jī)的控制技術(shù)設(shè)計(jì)了控制律,規(guī)定了不同操縱面的控制功能和權(quán)限,并通過(guò)仿真手段驗(yàn)證了飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)及多操縱面協(xié)調(diào)控制技術(shù)的合理性。

1大展弦比飛翼氣動(dòng)布局無(wú)人機(jī)的

操穩(wěn)特性

飛翼布局無(wú)人機(jī)由于沒(méi)有垂尾,因此航向穩(wěn)定性較差。對(duì)于大展弦比飛翼布局無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō),最有效的航向控制莫過(guò)于阻力方向舵,其很長(zhǎng)的力臂幾乎是無(wú)人機(jī)展長(zhǎng)的一半,使得阻力方向舵無(wú)需太大的偏角,就能夠產(chǎn)生足夠大的偏航力矩,尤其在起降階段,采用阻力舵全打開(kāi)方式,有利于提高飛翼布局無(wú)人機(jī)的航向穩(wěn)定性[2]。另外,飛翼布局無(wú)人機(jī)沒(méi)有平尾,升降舵在機(jī)翼上,與常規(guī)布局飛機(jī)相比縱向操縱力臂較短,升降舵操縱效能較小,尤其在起飛和著陸低速飛行時(shí)影響更大。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一般采用縱向靜穩(wěn)定性適度放寬技術(shù),重心在無(wú)人機(jī)焦點(diǎn)附近,同時(shí)采用多翼面協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行氣動(dòng)補(bǔ)償來(lái)提高縱向操縱效能[3]。但這樣又會(huì)使無(wú)人機(jī)本體靜穩(wěn)定性變差,不易操縱,航向又不穩(wěn)定。如何解決其操穩(wěn)特性,需要借助飛控系統(tǒng)增穩(wěn)和多翼面協(xié)調(diào)控制,控制律設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。

本文研究的模型驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)了4組操縱面,如圖1所示。

圖1 大展弦比飛翼布局模型驗(yàn)證操縱面Fig.1 Effectors of the high-aspect-ratio flying wing model

為了解決縱向操縱效能低的問(wèn)題,將操縱面1～3組合在一起聯(lián)動(dòng)進(jìn)行縱向操縱,以提高縱向操縱效能,操縱面3還作為副翼操縱使用,操縱面4設(shè)計(jì)成阻力方向舵[4]。

2 數(shù)學(xué)模型及控制律

2.1 數(shù)學(xué)模型

飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)由于操縱面在機(jī)翼上,升降舵的偏轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)翼的升力影響較大,因此應(yīng)考慮升降舵產(chǎn)生的升力,而常規(guī)布局飛機(jī)升降舵產(chǎn)生的升力可忽略不計(jì)。本文對(duì)一種大展弦比無(wú)人機(jī)采用工程估算法獲得氣動(dòng)導(dǎo)數(shù),主要是為了設(shè)計(jì)飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)的控制律并通過(guò)仿真手段進(jìn)行驗(yàn)證。其數(shù)學(xué)模型如下:

氣動(dòng)系數(shù)計(jì)算式為:

CL=CLαα+CLqq+CLδe1δe1+

CLδe2δe2+CLδe3δe3

(1)

CD=CD0+ACLCL+CDδrδr

(2)

CY=CYββ+CYpp+CYrr

(3)

Cl=Clββ+Clpp+Clrr+Clδa3δa3+Clδa4δa4

(4)

Cm=Cmαα+Cmqq+Cmδe1δe1+

Cmδe2δe2+Cmδe3δe3

(5)

Cn=Cnββ+Cnpp+Cnrr+Cnδa3δa3+

Cnδa4δa4+Cnδr4δr4

(6)

仿真動(dòng)力學(xué)模型采用六自由度剛體飛行動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程。

2.2 控制律

控制律方框圖如圖2所示。

圖2 飛翼布局無(wú)人機(jī)控制律方框圖Fig.2 Block diagram for control law of flying wing UAV

根據(jù)飛翼氣動(dòng)布局模型驗(yàn)證機(jī)的特性,設(shè)計(jì)了一組升降舵、一組升降襟翼、一組升降副翼、一組副翼阻力舵等共10個(gè)操縱面。其中:δe1為升降舵,δe2為升降襟翼,δea3為升降副翼,δar4為副翼阻力舵,Dδm為縱向桿輸入,Dδl為側(cè)向桿輸入,Dδ n為腳蹬輸入[5]。

3 仿真結(jié)果及分析

由于飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)的特殊氣動(dòng)特性,需要借助飛控系統(tǒng)來(lái)增穩(wěn),因此控制律是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)仿真手段,進(jìn)行飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)自主爬升、下滑、平飛、定航、盤(pán)旋等控制律的驗(yàn)證?？v向仿真初始條件為:H=2 km,V=150 km/h,φ=0°,ψ=0°,θ=50°,仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 縱向配平仿真結(jié)果Fig.3 Longitudinal trimming simulation

從圖中可以看出,從θ=50°控制到平飛狀態(tài),穩(wěn)定在θ=1.8°,α=1.7°。

橫向仿真初始條件為:H=2 km,V=150 km/h,φ=50°,ψ=0°,θ=3°,仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出,從φ=50°控制并穩(wěn)定到平飛狀態(tài)。

在仿真過(guò)程中,飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)縱向操縱力矩偏小,采用單一的升降舵操縱效率較低,尤其在起降階段速度較小,操縱效率更低,因此需要多翼面協(xié)調(diào)控制。本文設(shè)計(jì)了升降舵、升降襟翼和升降副翼6個(gè)活動(dòng)翼面協(xié)調(diào)控制,提高了縱向操縱效率,達(dá)到了預(yù)期效果。

另外,飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)沒(méi)有垂尾,航向穩(wěn)定性較差,本文設(shè)計(jì)了阻力方向舵以增加航向穩(wěn)定性并參與航向操縱,但由于升降副翼又參與縱向操縱,會(huì)降低橫向操縱效率,因此將阻力方向舵設(shè)計(jì)成副翼阻力舵,以補(bǔ)償橫向的操縱效率。

根據(jù)這種設(shè)計(jì)思想并結(jié)合飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)的氣動(dòng)特性,設(shè)計(jì)的控制律通過(guò)仿真驗(yàn)證,滿足大展弦比飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)的飛行控制要求。

圖4 橫向配平仿真結(jié)果Fig.4 Lateral trimming simulation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大展弦比飛翼氣動(dòng)布局模型驗(yàn)證機(jī)的操穩(wěn)特性,根據(jù)飛翼布局模型驗(yàn)證機(jī)的氣動(dòng)特性和飛行控制方法,設(shè)計(jì)了控制律,建立了數(shù)學(xué)模型。通過(guò)仿真的手段,驗(yàn)證了控制律,了解了飛翼氣動(dòng)布局無(wú)人機(jī)的飛行特性和多翼面協(xié)調(diào)飛行控制方法。本文對(duì)研究飛翼氣動(dòng)布局無(wú)人機(jī)的飛行控制技術(shù)具有參考價(jià)值。

[1] 程雪梅.飛翼布局無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定與操縱特性分析研究[J].飛行力學(xué),2011,29(1):9-12.

[2] 趙霞,秦燕華.一種飛翼布局橫航向特性的控制研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2008,26(2):234-238.

[3] 李淼,王立新,李林.小展弦比飛翼構(gòu)型飛機(jī)短周期品質(zhì)評(píng)定方法[J].飛行力學(xué),2009,27(5):21-24.

[4] 馬超,李林,王立新.大展弦比飛翼布局飛機(jī)新型操縱面設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2007,33(2):149-153.

[5] 劉尚民,趙磊.電傳飛機(jī)模型自由飛試驗(yàn)飛行控制技術(shù)研究[J].飛行力學(xué),2012,30(1):83-86.

Researchonflightcontroltechnologyofthehigh-aspect-ratioflyingwingmodelaircraft

LIU Shang-min, SUN Jian, LIU Zhao-jun

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

Flying wings have a great potential both in civil and military for the stealth characteristics due to the use of blended wing-body and tailless configuration technology. Since the aircraft with flying wings have poor static stability, unstable heading, not easy to control, so it is necessary to master the control law and coordinated control technology of multi-effectors. Taking the high-aspect-ratio flying wing model aircraft as the research object, this paper studies the flight control technology of the high-aspect-ratio flying wing UAV through simulation so as to verify the flight control technology and coordinated control technology of multi-effectors.

flying wing configuration; control law; coordinated control of multi-effectors

V212.1; V249.1

A

1002-0853(2013)06-0558-03

2013-03-01;

2013-08-02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2013-10-22 15:10

劉尚民(1963-)，男，陜西西安人，研究員，碩士，主要從事飛行力學(xué)研究。

(編輯：姚妙慧)