試析無人機氣動彈性與控制

摘 ?要：氣動彈性是航天領域的一個重要概念，早在上世紀初期飛機誕生時，人們就發現了機翼的氣動彈性問題。如果不能有效控制氣動彈性，將可能導致機翼折斷等嚴重后果。對于無人控制的飛行器來說，控制氣動彈性的難度更大。基于此，本文就針對無人機的氣動彈性問題展開研究，在闡述其分類和特征的基礎上，針對氣動彈性的控制展開探討，希望能為相關人士提供些許參考。

關鍵詞：無人機;氣動彈性;飛行事故

中圖分類號：V211.47;V279 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0158-03

Abstract：Aerodynamic elasticity is an important concept in the field of aerospace. As early as the birth of aircraft in the early 20th century，the aeroelastic problem of wings was discovered. If the aerodynamic elasticity is not effectively controlled，it may lead to serious consequences such as wing breakage. For unmanned aerial vehicles，it is more difficult to control aeroelasticity. Based on this，this paper studies the aeroelasticity of UAV. On the basis of describing its classification and characteristics，the control of aeroelasticity is discussed，hoping to provide some reference for the relevant people.

Keywords：UAV;aerodynamic elasticity;flight accidents

0 ?引 ?言

氣動彈性是飛行器在航行過程中，受空氣動力以及機身彈性結構等的相互作用，出現的彈性形變，會對飛行器的穩定及操控產生明顯影響[1]。如果不能有效控制氣動彈性，將會導致機翼折斷等嚴重飛行事故，因此氣動彈性問題是包括無人機在內的各類飛行器設計時應著重考慮的一項關鍵點。

1 ?無人機氣動彈性及其參與的主要力學元素

無人機因其體積小、制造成本低、生存力強、對作戰場地環境要求不高等原因，近年來得到快速發展[2]。但越是性能高、結構復雜的無人機，其氣動彈性問題也越加突出。所謂氣動彈性，主要就是指飛行器在飛行過程中，由于空氣動力和自身的彈性結構相互作用，產生的彈性形變。氣動彈性的生成與進展主要有四種力元素參與其中、相互影響。分別為氣動力、彈性力、慣性力及阻尼力，其中最為主要的就是氣動力和彈性力。彈性形變可導致飛行器機翼顫振甚至折斷，干擾作業。因此在不斷加強無人機性能、結構的同時，必須要考慮氣動彈性問題并加以控制，從而得出性能過硬、安全穩定的高質量無人機設備。總之，對于氣動彈性問題，需要考慮飛行器的結構、空氣動力，還要考慮阻尼力和飛行器的材料性能等多方面因素，是一項難度較大的復雜性問題。

2 ?無人機氣動彈性的分類及其特征

2.1 ?無人機靜氣動彈性

靜氣動彈性主要考慮無人機本身彈性結構所帶來的受力分布情況。當無人機的飛行速度較慢，那么無人機因空氣動力帶來的彈性形變也較小，反之，如果飛行的速度越快，那么無人機所受到的彈性形變也就會越大，在較長時間高速狀態下，就可能導致機翼振動或操作面板無法正常工作的情況[3]。可見，無人機靜氣動彈性主要是因彈性形變所導致的受力載荷失衡，以及兩著相互促進，從而引起造成無法穩定運行的彈性形變。無人機靜氣動帶來的彈性形變進展較為緩慢的，所以此種氣動彈性往往不用考慮變形速度以及加速度產生的氣動力，在進行無人機設計時也無需單獨計算這方面的問題，研究起來也要比動氣動相對簡單得多，這也正是靜氣動彈性的典型特征。

2.2 ?無人機動氣動彈性

動氣動彈性是因彈性力學以及空氣動力相互耦合所產生的一種非定常過程，這種現象可細分為顫振和氣動響應等幾個形式。

顫振會對無人機飛行的穩定性造成影響，當顫振達到一定程度，或到達臨界狀態，可引起自激振動，可在很短的時間內造成機翼破壞或尾翼破壞，引起嚴重飛行事故[4]。顫振形態不一，可能為無人機整架參與，也可能只是某個部位參與。顫振的物理關系十分復雜，就空氣動力方面來看，主要有兩種特征：

（1）發生在勢流之中，而邊界層效應以及流動分離不參與顫振過程，這種顫振多見于流線型剖面結構的無人機。此種顫振對于無人機的機翼會產生阻尼作用，通常顫振中會再出現較大的彈性自由度。

（2）和流動分離以及漩渦形成存在關系的顫振，即“失速顫振”。

氣動響應也是由空氣動力、彈性動力為主導的一種力學問題，是因無人機的彈性結構受到來自外界干擾的動力，并隨時間變化產生的強迫性振動。外界干擾如漩渦、大氣紊流、突風等。動力響應是一種常見的氣動彈性，對無人機設計，特別是結構疲勞方面的設計，具有重要影響。

除上述氣動彈性的情況外，還有抖振也是當前氣動彈性研究領域的一項內容。在紊流中，無人機或者無人機中某個部件可發生不規則性的抖振，其中以尾翼抖振最為常見[5]。此外，無人機目前已經邁入了超音速時代，超音速無人機的機翼位置的激波以及壓力脈沖，也能夠引起抖振，此種抖振也被稱作抖振-顫振，或者是自激抖振。

3 ?無人機氣動彈性的控制

針對氣動彈性的控制，需要結合結構動力、飛行器控制以及空氣動力學等學科知識，和單純的飛行器控制相比，氣動彈性的控制更為復雜、難度更高，且無人機在飛行過程中遇到的動力影響，會隨著飛行條件的變化而變化，更增加了控制的復雜性。首先需要對氣動彈性進行計算，這是實現氣動彈性控制的基礎。

3.1 ?氣動彈性的計算

氣動彈性受到的影響因素較多，且為連續結構，相關因素還具有不確定性，因此氣動彈性的計算大多采用近似解的形式，只在一些特殊情況，如在二維流動中可得出氣動彈性精確解[6]。

在計算氣動彈性的近似解時主要分兩步，首先為離散化處理，就是把具有一定數量自由度的等價結構，來替換無限多個自由度的氣動彈性連續結構，從而將連續結構轉換成方程組，對于靜氣動彈性，會得出代數方程形式的方程組。對于動氣動彈性，會得出微分方程（時間作為變量）。第二個步驟就是將上一步得出的方程進行求解。

對于連續結構的氣動彈性問題進行離散化處理，就是把解的展開式通過函數有限級數進行表述，通過這種方式把氣動彈性的本質表述出來。離散化實質上就是把表達振動過程的偏微分轉換為聯立的常微分方程，實質上將特征值問題從微分方程轉變為代數的形式。特征值主要通過級數來展開，有兩種離散化的方法，分別為加權余數法以及瑞利-里茲法。其中的瑞利-里茲法源自變分原理，適宜處理自伴問題。而加權余數法則有更為廣泛的適用范圍，也無需借助變分原理，無論是自伴問題還是非自伴問題都可以適用，因此建議采用加權余數法。Galerkin法就是目前常用的加權余數法，普遍適用于一般形式的氣動彈性問題，包括靜氣動彈性和動氣動彈性，此種方法主要步驟如下：

3.2 ?主動顫振控制

求出氣動彈性近似解后，以此為導向估計飛行狀態，并進行控制。主動顫振控制是目前常用的控制手段，此種方法的實質就是通過求解得出的特征值來實現系統各極點的配置，從而使不穩定狀態得到主動控制，達到穩定狀態[7]。比如目前比較常見的SISO極點配置、動柔度配置等都是按照這種原理實現主動控制。在設計時，需要先根據此種原理設置控制律輸入進無人機閉環控制系統，之后系統根據預先設定的控制律，在飛行過程中通過操控機翼控制面偏轉等方式，實現平衡，達到主動顫振控制的效果。

3.3 ?LQG控制

LQG全稱為線性二次高斯控制，此種模式考慮到飛行過程中的不確定因素，以及噪聲的影響，并結合卡爾曼濾波綜合而來的控制方法。通過卡爾曼濾波器對無人機飛行系統當前的飛行狀態參數進行評估，將所得參數通過LQG系統實現反饋調節。LQG通常由兩部分構成，其一為最優狀態反饋，其二為擾動輸入估計。此種方式有效考慮了飛行過程中的干擾條件，從而達到最佳的平衡狀態。

4 ?結 ?論

綜上，氣動彈性會對無人機的飛行狀態，包括穩定性、抗干擾性等帶來的直接影響。當前無人機已經進入超音速時代，氣動彈性問題更加復雜。可見在無人機設計工作中，氣彈問題的分析十分重要，因此在設計無人機時必須充分考慮氣動彈性方面的問題，并借助現代信息技術、控制系統等對氣動彈性進行主動控制，從而保障飛行安全，提升無人機質量。

參考文獻：

[1] 許軍.飛翼無人機顫振抑制仿真研究 [J].工程與試驗，2018，58（3）：69-72.

[2] 李晨飛，姜魯華.臨近空間長航時太陽能無人機氣動研究綜述 [J].世界科技研究與發展，2018，40（4）：386-398.

[3] 段卓毅，王偉，耿建中，等.高空長航時太陽能無人機高效氣動力設計新挑戰 [J].空氣動力學學報，2017，35（2）：156-171.

[4] 馮引安，祝小平，周洲.彈性飛翼無人機魯棒姿態控制設計 [J].飛行力學，2017，35（3）：60-63+67.

[5] 張強，祝小平，周洲，等.高空長航時飛翼布局無人機靜氣動彈性研究 [J].飛行力學，2016，34（1）：40-45.

[6] 王偉，周洲，祝小平，等.幾何大變形太陽能無人機非線性氣動彈性穩定性研究 [J].西北工業大學學報，2015，33（1）：1-8.

[7] 范銳軍，馮朝輝，周洲.大展弦比無人機的靜氣彈問題計算及分析 [J].力學季刊，2009，30（4）：548-554.

作者簡介：王正任（1990-），男，漢族，吉林人，畢業于英國南安普頓大學，工程師，碩士，研究方向：無人機氣動設計。