一种低速情况下无尾飞翼飞机航向控制方法

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1、一种低速情况下无尾飞翼飞机航向控制方法屈晓波，章卫国，史静平，倪烨斌（西北工业大学自动化学院，陕西西安　７１００７２）摘　要：无尾飞翼飞机通常使用开裂式阻力方向舵或者嵌入式操纵面来解决其航向控制问题。开裂式阻力方向舵对飞机的航向控制机理与传统方向舵不同，其舵效随舵偏角的变化呈非线性特性，且在较大迎角时会产生操纵反效现象，诱发航向振荡，产生飞行事故。针对此问题，利用ＣＦＤ方法分析了某小型无尾飞翼飞机开裂式阻力方向舵的操纵特性，提出一种基于迎角反馈的开裂式阻力方向舵预偏差动控制方法，并进行了非线性数值

2、仿真和试飞验证。结果表明：该方法可以改善开裂式阻力方向舵的非线性特性，解决操纵反效问题，增强无尾飞翼飞机低速飞行时的航向控制性能。关　键　词：无尾飞翼飞机；开裂式阻力方向舵；航向控制；非线性；操纵反效中图分类号：Ｖ２４９文献标志码：Ａ文章编号：１０００－２７５８（２０１５）０１－００７０－０６　　采用翼身融合气动布局的无尾飞翼飞机具有诸多优点，如高升阻比、大航程、低雷达反射截面积等。但这种特殊布局带来了一些新的问题，如飞机的纵————————————————————————————————————

3、———————————向、横航向静稳定性不足，航向控制困难等。开裂式阻力方向舵（ｓｐｌｉｔｄｒａｇｒｕｄｄｅｒｓ，ＳＤＲ）、嵌入式操纵面（ｓｐｏｉｌｅｒｓｌｏｔｄｅｆｌｅｃｔｏｒ，ＳＳＤ）等新型控制面可以有［１－２］效解决飞机巡航阶段航向控制问题，并逐渐在此类飞机上得到应用。常规布局飞机利用传统的方向舵控制飞机的航向，其机理是方向舵的偏转改变了垂尾翼剖面的弯度，从而产生偏航力矩。现代无尾飞翼飞机通常利用ＳＤＲ或者ＳＳＤ来控制飞机偏航，其机理是这类特殊气动效应面偏转时会在机翼［３－４］外段产生非对称

4、气动阻力，从而产生偏航力矩。低速飞行阶段飞机的迎角较大，ＳＤＲ舵效的非线性［５－６］特性凸显，偏航控制效率下降，影响无尾飞翼飞机低速飞行时的航向控制能力，尤其是在侧风环境下的起飞、着陆等阶段，若处置不当很可能会引发飞行事故。本文以某小型无尾飞翼飞机（ＴＦＷＡ）为研究对象，利用ＣＦＤ方法分析了ＳＤＲ的操纵特性，采用ＳＤＲ预偏转差动方法研究了不同迎角下ＳＤＲ的预偏角对舵面操纵效率的影响，提出了一种基于迎角反馈的ＳＤＲ预偏差动控制方案，并进行了非线性数——————————————————————————

5、—————————————————————收稿日期：２０１４－０９－１０值仿真和试飞验证。结果表明，该方法可以改善ＳＤＲ舵效的非线性特性，解决操纵反效问题，提高无尾飞翼飞机低速飞行阶段的航向控制能力。１　问题描述１．１　研究对象ＴＦＷＡ采用无尾翼身融合设计，机翼后缘布置了８个操纵面，如图１所示。图１　ＴＦＷＡ气动布局及舵面布置其中，δ１Ｌ、δ１Ｒ、δ２Ｌ、δ２Ｒ为升降舵，即同向偏转用于控制飞机的俯仰运动；δ３Ｌ、δ３Ｒ为副翼，即差动偏转用于控制飞机的滚转运动；飞机左右两侧开裂式阻力方向舵δＬＳＤＲ

6、和δＲＳＤＲ相互独立，通过组合偏转方式基金项目：国家自然科学基金（６１３７４０３２）与陕西省自然科学基金（２０１３ＪＱ８０２６）资助作者简介：屈晓波（１９８２—），西北工业大学博士研究生，主要从事新概念飞行器设计与飞行控制系统研究。第１期［７］控制飞机的偏航运动，通常具有如下２种典型控制方式：１）一侧ＳＤＲ张开，而另一侧ＳＤＲ保持闭合不动，主要用于飞机在典型巡航阶段的偏航控制；２）左右两侧ＳＤＲ同时张开一定角度，并在此基础上叠加用于航向控制的方向舵偏转指令，主要用于飞机减速、降落等阶段的航向控制。

7、１畅２　ＳＤＲ单侧控制左右ＳＤＲ的实际偏转角度为：———————————————————————————————————————————————δＬＳＤＲ＝δＳＤＲ＋ｂ（２）＝－＋δＲＳＤＲδＳＤＲｂ式中：δＳＤＲ∈［－ｂｂ］。这种控制方式同时利用了左右两侧ＳＤＲ来产生组合舵效，可以明显增大ＳＤＲ小角度偏转时的舵面效率，有利于增强航向控制能力。当ＳＤＲ舵偏角指令幅值｜δＳＤＲ｜大于预偏角ｂ时，左右ＳＤＲ会出现某一侧舵偏角饱和，此时的控ＳＤＲ无尾飞翼飞机在典型飞行状态下通常以一侧来控制飞机偏航张开，

8、而另一侧，如图ＳＤＲ２所示保持闭合不动的组合方式。图２　ＳＤＲ单侧控制方式对于某一时刻ｔ的方向舵偏转指令δＳＤＲ，左右两侧ＳＤＲ的舵偏角分别为：δ｜δＬＳＤＲＳＤＲ０｜δＳＤＲδ≥０°ＳＤＲ＜０°δ０δＲＳＤＲＳＤＲ｜δＳＤＲ｜δ＞０°（１）ＳＤＲ≤０°　　显然，这种控制方式在同一时刻只利用了飞机———————————————————————————————————————————————单侧ＳＤＲ控制偏航，实践证明在巡航状态下其控制效果良好。但随着飞翼飞机飞行速度的降低，飞行迎角