高超聲速飛行器剛體/彈性體耦合動力學建模

李惠峰 肖 進 張 冉

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

高超聲速飛行器剛體/彈性體耦合動力學建模

李惠峰 肖 進 張 冉

（北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191）

高超聲速飛行器廣泛采用升力體、乘波體等氣動布局和輕質(zhì)復(fù)合材料、薄壁結(jié)構(gòu)等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動與剛體運動頻率非常接近，給飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn).針對該類飛行器的特點，考慮結(jié)構(gòu)的橫向位移，將機身前后體簡化為于質(zhì)心處固聯(lián)的2根懸臂梁，并從統(tǒng)一的能量觀點出發(fā)，基于拉格朗日方程與虛功原理，在縱向平面推導(dǎo)出適合高超聲速飛行器的剛體/彈性體耦合動力學模型.通過對比耦合模型與傳統(tǒng)剛體模型的極點分布情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動與剛體短周期模態(tài)緊密耦合，離心力的引入影響了高度與長周期模態(tài)，對高超聲速飛行器航跡運動的作用不可忽視.最后分析了飛行速度與結(jié)構(gòu)阻尼變化對耦合模型動態(tài)性能的影響.結(jié)果證明飛行速度對剛體運動模態(tài)影響顯著，而結(jié)構(gòu)阻尼的變化主要改變彈性模態(tài).

高超聲速;耦合模型;結(jié)構(gòu)振動;拉格朗日方程

隨著高超聲速飛行器的出現(xiàn)，為節(jié)省燃料廣泛采用輕質(zhì)的復(fù)合材料，設(shè)計細長體、升力體等氣動布局，這些因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有振動頻率的降低，于是必須考慮剛體和彈性體的慣性耦合現(xiàn)象［1］.特別是以吸氣式超燃沖壓發(fā)動機為動力的X-43和X-51，發(fā)動機對飛行條件以及氣動外形提出的要求非常苛刻……