中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì) 李念國(guó) 趙 慧

脈沖信號(hào)對(duì)飛行器滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響

中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì) 李念國(guó) 趙 慧

飛翼飛行器翼身融為一體，這種結(jié)構(gòu)使其具有良好的氣動(dòng)性能的同時(shí)，也帶來了滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、易受干擾的特點(diǎn)。本文以飛翼飛行器為研究對(duì)象，推導(dǎo)了脈沖信號(hào)公式以及飛行器保持平衡所要滿足的物理?xiàng)l件，并分析對(duì)比了脈沖信號(hào)對(duì)飛翼飛行器和一般飛行器俯仰角 、滾轉(zhuǎn)角 和偏航角 的輸出響應(yīng)，結(jié)構(gòu)顯示飛翼飛行器具有進(jìn)一步增穩(wěn)的必要性，進(jìn)而設(shè)計(jì)了輸出量反饋閉環(huán)增穩(wěn)系統(tǒng)，對(duì)飛翼飛行器受擾動(dòng)影響大的缺點(diǎn)進(jìn)行了有效的改善，大大減少了計(jì)算量。

脈沖信號(hào)；飛行器；滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；影響

1 引言

飛翼飛行器的機(jī)翼和機(jī)身沒有明顯的界限，具有比較多的舵面，外形類似于回旋鏢[1]，是一種外形看起來像是沒有尾巴的融合體?；谶@種機(jī)翼，使該結(jié)構(gòu)飛行器的重量得以大大減輕，飛行阻力也得以減小，進(jìn)而增強(qiáng)了其機(jī)動(dòng)性能。但受其結(jié)構(gòu)影響，飛翼飛行器抗風(fēng)能力不足，為操作帶來了難度。國(guó)外很早就開始了對(duì)該結(jié)構(gòu)飛行器的研究[2-3]，典型的飛翼飛行器有美國(guó)的B2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)和X47無人作戰(zhàn)飛機(jī)，如圖1、2所示。

圖1 B2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)

圖2 X47無人作戰(zhàn)飛機(jī)

2 脈沖信號(hào)

飛行器的運(yùn)動(dòng)主要包括俯仰、滾裝和偏航三種狀態(tài)。對(duì)于一般的飛行器來說，滾轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的是特征方程里的負(fù)根，意味著飛行器受到外力后，能夠產(chǎn)生比較大的阻尼力矩，來恢復(fù)到原先的狀態(tài)[4]。在副翼的操控下，脈沖信號(hào)可表示為式（2.1）。

其中a、b、c、d、e、f、g、h均為常數(shù)。通過對(duì)上式解的分析可知，特征跟都是實(shí)數(shù)，物理現(xiàn)象表現(xiàn)為飛行器受到風(fēng)影響時(shí)，會(huì)發(fā)生短時(shí)間的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但是若不及時(shí)控制，飛行器將發(fā)生劇烈的旋轉(zhuǎn)，然后墜落。飛行器只有滿足式（2.2），才能平衡。

3 脈沖響應(yīng)

對(duì)于副翼來說，建立飛翼飛行器受到小擾動(dòng)時(shí)的物理模型，狀態(tài)方程可以表示為式（3.1）。

4 增穩(wěn)設(shè)計(jì)

實(shí)際上，飛行器在飛行過程中，很難得到全部的反饋信息，不能將其作為飛控的判斷依據(jù)。我們以系統(tǒng)的輸出量作為反饋依據(jù)，來設(shè)計(jì)控制方案。

通過閉環(huán)設(shè)計(jì)，能發(fā)現(xiàn)飛翼飛行器的穩(wěn)定性得到了改善。但是過程較繁冗，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，便于操作。通過控制 ，達(dá)到對(duì)目標(biāo)的控制，在這個(gè)過程中，方向舵也參與反饋，形成對(duì)偏航角的閉合反饋，進(jìn)而消除偏航角，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步穩(wěn)定。為加快這一過程的反饋，還需對(duì) 進(jìn)行計(jì)算。這時(shí)，式（2.1）所有的解都在左半軸，物理表現(xiàn)為在引入反饋后，飛行器得到了更好的穩(wěn)定性。施加脈沖信號(hào)后，的脈沖響應(yīng)均接近于0，并能在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以該反饋閉環(huán)設(shè)計(jì)發(fā)揮了增穩(wěn)作用，并且系統(tǒng)的計(jì)算量減少了很多。

5 結(jié)論

飛翼飛行器獨(dú)特的氣動(dòng)外形，使其具有良好的氣動(dòng)性能的同時(shí)，也帶來了滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、易受干擾的特點(diǎn)。本文推導(dǎo)了飛翼飛行器的脈沖信號(hào)公式以及飛行器保持平衡所要滿足的物理?xiàng)l件，并分析對(duì)比了脈沖信號(hào)對(duì)飛翼飛行器和一般飛行器俯仰角 、滾轉(zhuǎn)角 和偏航角 的輸出響應(yīng)?；谠龇€(wěn)設(shè)計(jì)的必要性，設(shè)計(jì)了輸出量反饋閉環(huán)增穩(wěn)系統(tǒng)，改善了飛翼飛行器受擾動(dòng)影響大的缺點(diǎn)。

[1](美)史蒂夫·佩斯.B-2“幽靈”－威力超強(qiáng)的隱身轟炸機(jī)(熊峻江等譯)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003:1-12.

[2]Weisshaar Terrence A,Livne E,Aeroelasticity of Nonconventional Airplane Configurations-Past and Future, Journal of Aircraft,2003,40(6):1047~1065.

[3]Jeremy Agte,Mark Hadley and Eric Knauf,Student Evolution of an Unconventional Flying Wing Configuration,AIAA and SAE,World Aviation Congress,Anaheim,AIAA,1997:1~8.

[4]嵇鼎毅.飛翼布局無人機(jī)抗側(cè)風(fēng)自動(dòng)著陸控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.

李念國(guó)，男，中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)助理工程師，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。