脈沖信號對飛行器滾轉(zhuǎn)運動的影響

中國人民解放軍92419部隊 李念國 趙 慧

脈沖信號對飛行器滾轉(zhuǎn)運動的影響

中國人民解放軍92419部隊 李念國 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性能的同時，也帶來了滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、易受干擾的特點。本文以飛翼飛行器為研究對象，推導(dǎo)了脈沖信號公式以及飛行器保持平衡所要滿足的物理條件，并分析對比了脈沖信號對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一步增穩(wěn)的必要性，進而設(shè)計了輸出量反饋閉環(huán)增穩(wěn)系統(tǒng)，對飛翼飛行器受擾動影響大的缺點進行了有效的改善，大大減少了計算量。

脈沖信號；飛行器；滾轉(zhuǎn)運動；影響

1 引言

飛翼飛行器的機翼和機身沒有明顯的界限，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。基于這種機翼，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，進而增強了其機動性能。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。國外很早就開始了對該結(jié)構(gòu)飛行器的研究[2-3]，典型的飛翼飛行器有美國的B2隱形戰(zhàn)略轟炸機和X47無人作戰(zhàn)飛機，如圖1、2所示。

圖1 B2隱形戰(zhàn)略轟炸機

圖2 X47無人作戰(zhàn)飛機

2 脈沖信號

飛行器的運動主要包括俯仰、滾裝和偏航三種狀態(tài)。對于一般的飛行器來說，滾轉(zhuǎn)狀態(tài)對應(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)。通過對上式解的分析可知，特征跟都是實數(shù)，物理現(xiàn)象表現(xiàn)為飛行器受到風(fēng)影響時，會發(fā)生短時間的滾轉(zhuǎn)運動，但是若不及時控制，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)

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

4 增穩(wěn)設(shè)計

實際上，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)計控制方案。

通過閉環(huán)設(shè)計，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)對其進行適當(dāng)簡化，便于操作。通過控制 ，達到對目標(biāo)的控制，在這個過程中，方向舵也參與反饋，形成對偏航角的閉合反饋，進而消除偏航角，實現(xiàn)系統(tǒng)的進一步穩(wěn)定。為加快這一過程的反饋，還需對 進行計算。這時，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。施加脈沖信號后，的脈沖響應(yīng)均接近于0，并能在極短的時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以該反饋閉環(huán)設(shè)計發(fā)揮了增穩(wěn)作用，并且系統(tǒng)的計算量減少了很多。

5 結(jié)論

飛翼飛行器獨特的氣動外形，使其具有良好的氣動性能的同時，也帶來了滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、易受干擾的特點。本文推導(dǎo)了飛翼飛行器的脈沖信號公式以及飛行器保持平衡所要滿足的物理條件，并分析對比了脈沖信號對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)。基于增穩(wěn)設(shè)計的必要性，設(shè)計了輸出量反饋閉環(huán)增穩(wěn)系統(tǒng)，改善了飛翼飛行器受擾動影響大的缺點。

[1](美)史蒂夫·佩斯.B-2“幽靈”－威力超強的隱身轟炸機(熊峻江等譯)[M].北京:國防工業(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.飛翼布局無人機抗側(cè)風(fēng)自動著陸控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.

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