彈性飛行器飛行仿真研究

【摘 要】現代飛行器的設計日益追求高速度、超機動性和敏捷性，使得現代飛行器越來越呈現出高速度、輕結構、大柔性和低阻尼的特點。對于導彈或者火箭來說，它們的射程和載重量任務要求它們具有大質量，且長細比越來越大，因此彈性低階頻率也越來越低，彈性變形和彈性振動對導彈彈道仿真的影響不能再忽略。本文發展了一種將飛行力學與氣動彈性力學相結合的飛行仿真工具，建立了剛性導彈和彈性導彈的全彈道打靶仿真模型，在Matlab/Simulink平臺下搭建各模塊，用于研究彈性導彈全彈道仿真過程中的運動參數響應。

【關鍵詞】彈性變形；彈道仿真；Matlab/Simulink；運動參數響應

0 引言

現代飛行器的設計日益追求高速度、超機動性和敏捷性，使得現代飛行器越來越呈現出高速度、輕結構、大柔性和低阻尼的特點[1]。對于細長體的導彈來說，其彈性低階頻率也越來越低，彈性自由度與剛體自由度之間的耦合效應就不能忽略了。

本文搭建了導彈-目標相對運動模塊、導引頭模塊、制導律模塊、彈性飛行器運動模塊[2]、大氣參數模塊以及控制律模塊。采用比例導引法制導律，在Matlab/Simulink仿真環境下進行全彈道打擊目標仿真，設計編寫導彈全彈道仿真過程的程序。與剛性導彈全彈道打靶仿真進行對比，由此討論結構彈性對飛行性能的影響。

1 全彈道仿真模塊搭建

在Matlab/Simulink平臺下搭建各模塊，導引律采用經典的比例導引法，目標運動假設為定直平飛。圖1為導彈制導/運動學回路，清晰地說明全彈道仿真流程。

（1）比例導引法

（3）目標運動模型

目標在鉛垂平面內做定直平飛運動，飛行速度為VT=150m/s，在t=0的時刻從（3000m，2000m）的位置開始向-x方向運動。

（4）導彈控制律

控制律框圖如圖2所示。

2 仿真及仿真結果

全彈道仿真在Matlab/Simulink環境[4-5]下進行，Simulink仿真框圖如圖3所示，本文中將控制系統、舵機和彈體運動方程封裝在了一個模塊里。仿真時，當導彈與目標之間的接近速度Vc<0時，認為導彈與目標遭遇，仿真結束。

剛性導彈與彈性導彈的仿真對比結果如圖4所示。

從剛性導彈與彈性導彈全彈道仿真的參數對比圖上可以看出二者的飛行軌跡、攻角、俯仰角這些響應曲線差別并不大，而舵偏角曲線呈現出明顯的不同。在整個彈道仿真過程中，彈性導彈的舵偏角變化最大達到-14°，是剛性導彈的兩倍。這與實際工程型號打靶時情況相符。

【參考文獻】

[1]Chen P.C.， Dario H.B.， Zeng J.. Dynamic Flight Simulation （DFS）Tool for Nonlinear Flight Dynamic Simulation Including Aeroelastic Effects[C]//AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit. Honolulu， Hawaii， 2008： 1-16.

[2]姚爽，吳志剛，楊超.彈性導彈飛行動力學建模及彈道仿真[C]//第十三屆全國空氣彈性學術交流會會議論文集.2012：323-330.

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[5]歐君瑜，李剛，高忠長.基于Matlab的防空導彈三維彈道仿真[J].火力與指揮控制，2010，35（2）：166-168.

[責任編輯：楊玉潔]