组合升力体动力学建模与仿真

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1、第40卷第2期2010年3月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．2Mar．2010组合升力体动力学建模与仿真姚超，张怡哲，李正强(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：设计了组合升力体总体布局，提出了新的组合升力体建模思路与方法，建立了完整的组合升力体飞行动力学数值仿真模型。建模时综合考虑了主要气动力部件的建模，详细讨论了旋翼／固定翼过渡飞行模式的建模方法。根据提出的建模方法进行了组合升力体的操纵响应分析，仿真结果证明了建模理论和方法的合理性和有效性。关键

2、词：组合升力体；过渡飞行模式；建模；飞行动力学中图分类号：0242文献标识码：A文章编号：1671．654X(2010)02．0057．04引言长期以来，国外一直在不懈地探寻新的技术发展思路，力图研制一种新型飞行器，既能够保持直升机的垂直起降和悬停的优势，又能达到喷气式固定翼飞机的高速飞行性能⋯。固定翼飞机飞行速度快，航程也较大，但不足之处是起降时需要机场跑道，在使用范围上受到了限制。而直升机以其能够垂直起降、空中悬停、不依赖于特殊的起降场地，使用灵活等一系列特殊性能，得到广泛应用，但是受限于前行桨叶压缩效应和后行桨叶气

3、流分离的影响，飞行速度不快，常规直升机的最大巡航速度通常在300km／h左右，航程也比较短。如何实现既能垂直起降、空中悬停，又能快速飞行是人们多年来的目标和梦想。美国的V一22倾转旋翼式飞行器，通过倾转旋翼来改变拉力的方向。在垂直起降阶段作为升力，在高速飞行阶段作为推进力。V一22的确提高了前飞速度，但是其主要缺点在于过渡飞行状态下，动力稳定性差以及气动力干扰严重，而且飞行控制系统和机械传动系统复杂，导致安全性和维护性不佳。鸭式旋翼／机翼飞机(CRⅣ)把直升机的悬停和低速飞行特性与喷气式固定翼飞机的高亚音速巡航性能较好地

4、结合在一起，CRW与倾转旋翼机相比最大的优势在于其高速性能。因为旋翼／机翼本身是通过可旋转的桨毂连接到机身上的，在以固定翼模式飞行时，CRW还可以将其倾斜一定的角度以增大前后掠角，从而使飞机能以更高的速度飞行。风洞试验表明随着旋彰机翼倾斜角的变化，CRW的滚转力矩、偏航力矩和侧力等的变化很小旧J。美国波音公司研制的x一50A“蜻蜓”(Dragonfly)验证机一J，其机身呈海豚状，具有旋翼机和固定翼飞机双重特点，由于旋翼飞行模式与固定翼飞行模式转换的技术问题不能得到解决，2006年9月，DARPA决定终止这个计划。这种组

5、合升力体起飞降落时使用旋翼控制，当平飞时，旋翼被锁定在机身上，它就成为固定机翼，从而使其既具有直升机一样的垂直起降和空中悬停能力，又能像固定翼飞机那样高速巡航飞行，这种设计不仅融合了两种不同种类飞机的飞行性能，而且还具有很好的高速飞行生存性，在民用和军用市场均有着广阔的应用前景，开辟了旋翼飞行器发展的新领域。本文在参考鸭式旋影机翼飞机X一50A相关资料的基础上，分析了固定翼飞机和旋翼机的运动特性，结合现有试验条件和结果，提出了一种新的组合升力体建模思路与方法，建立了组合升力体旋翼／固定翼过渡飞行模式的运动模型，并进行了仿

6、真验证。1组合升力体总体方案设计组合升力体采用类似鸭式旋翼／机翼飞机X一50A的总体布局，机身前端设置前翼，机身尾部设置后翼，中翼居中，同时作为旋翼用于起降，机身尾部设置垂尾。组合升力体模型机使用轴驱动旋翼提供升力，独立的推进装置提供前飞推力，利用旋翼垂直起飞，然后利用推进装置加速平飞，进入旋翼／固定翼过渡飞行模式，旋翼桨距调零，转速降低，直至锁定在机身上，进入固定翼飞行模式。收稿日期：2009．11．27修订日期：2010—02．04作者简介：姚超(1980一)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为飞行器飞行力学与控

7、制。·58·航空计算技术第40卷第2期2组合升力体过渡飞行模式建模2．1组合升力体过渡飞行模式力方程组固定翼飞行模式下建立的力方程组为m矿=TcosacosB—D+G。my口=一Tcosasi够+Y—mV(一psina+rco$ot)+G。(1)mVcos卢&=一Tsina-L+mV(一pcosasinfl+qcosfl—rsinasin肛)+包．对旋翼机运动模型的研究在中国坐标系中进行HJ，本文对固定影旋翼过渡飞行模式的研究中，需将旋翼机各部件的空气动力转换到欧美坐标系中，从而建立旋翼／固定翼过渡飞行模式在气流坐标系中

8、的力方程组。在旋翼／固定翼过渡飞行模式下，中翼以旋翼状态飞行，中翼以旋翼模式提供升力，由于垂尾受旋翼下洗气流影响较小，在建模过程中忽略不计，其空气动力在固定翼飞行模式建模中已考虑，故在旋翼／固定翼过渡飞行模式的建模中只考虑固定翼飞行模式各部件空气动力、旋翼和尾桨的空气动力，旋翼和尾桨的空气动力∑F⋯I∑F⋯，∑F乞=