翼身融合无尾客机布局横航向飞行动力学分析和控制设计

《翼身融合无尾客机布局横航向飞行动力学分析和控制设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、翼身融合无尾客机布局横航向飞行动力学分析和控制设计中国航空学会2007年学术年会气动专题62张曙光1朱忠涛2陆艳辉11北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832广东省发展和改革委员会工业处，广州510031摘要翼身融合飞翼布局飞机具有摩擦阻力小，升阻比大等气动方面优点，然而由于没有常规垂尾，翼身融合飞翼布局飞机与常规布局飞机飞行动力学存在差异，如航向静稳定性和偏航阻尼较小，荷兰滚模态特性恶化，尤其在高空高速时易出现飘摆不稳定。为保证其具有较好的稳定性与操纵性，需设计控制增稳系统。采用特征结构配置方法，针对典型翼身融合飞翼布局飞机，进行控制增稳系统设计。针对民

2、用客机安全性问题，进行倾斜角保护模块设计，结果表明特征结构配置方法适用于翼身融合飞翼布局飞机横航向控制律设计，控制增稳系统具有满意的飞行品质，倾斜角保护模块达到预期设计目标。关键词翼身融合动力学特征结构配置飞行品质倾斜角保护引言翼身融合无尾飞翼布局飞机没有常规的机身和尾翼，所有部件包含在翼身融合的机翼里。因而，气动方面具有潜在的优势，如摩擦阻力较小，升阻比较大[1]，用于军事领域可以大大降低散射面积，提高———————————————————————————————————————————————隐身性。历史上，许多航空先驱曾创造了自己的飞翼飞机，如诺斯罗普制作的N-1

3、M，YB-49等著名飞翼飞机[2]，然而真正意义成功的要数B-2重型隐身轰炸机，以其低可探测性、大升阻比而著称。从某种意义讲，B-2的研制成功，带来了翼身融合飞翼飞机的新一轮研制高潮。例如，美国空军投资研制X-48B飞翼概念机，诺斯罗普·格鲁门公司目前着手研制快速飞行的“杀人蜂”小型飞翼式无人机。在翼身融合无尾飞翼布局飞机在军用方面取得较快发展的同时，近年来，翼身融合无尾布局（Blended-Wing-Body，简写为BWB）在民用飞机设计领域也得到了广泛重视。翼身融合民用飞机概念最早可追溯到由麦道公司（现合并入波音公司）的Liebeck于1988年提出的方案，俄、法等

4、国随后也提出了类似的方案。该布局将主要用作装载的机身融于提供升力的机翼之中，同时取消了水平及垂直安定面，与早期的或军用型的飞翼布局相比，翼身融合无尾（BWB）布局具有相对明显的中央机身段。从飞行力学角度，BWB布局得到应用必须处理好配平、稳定性和操纵耦合等问题。在大迎角飞行阶段，BWB布局还可能遭遇特有的失速、失控飞行现象（如纵向翻滚）。作为对这一类布局飞行力学特性的初步研究，本文在与常规布局飞机特性的对比之上，结合民用飞机横航向动力学设计要求，进行横航向控制增稳和滚转姿态保护模块设计。1BWB布局横航向基本飞行动力学特点————————————————————————

5、———————————————————————1.1与其它布局飞机横侧动力学参数对比典型BWB布局和其它布局飞机横航向气动特性对比如表1。1中国航空学会2007年学术年会气动专题62表1横航向气动参数对比横航向气动导数航向静稳定性导数Cnβ横向静稳定性导数Clβ侧力导数Cyβ偏航阻尼导数Cnr偏航交叉动导数Cnp滚转交叉动导数Clr滚转阻尼导数Clp可以明显见到：Boeing747[3]NAVION[4]（轻小型）B-2[5]典型BWB[6]0.0100-0.0600-0.0100-0.0400（1）由于没有常规垂尾（如无垂尾的B-2和仅有翼梢小翼的BWB），翼身融合飞

6、翼布局与常规有尾布局相比，具有几乎是中立静稳定甚至不稳定的航向静稳定特性；（2）纯飞翼布局（无垂尾，如B-2飞机）侧力导数很小，有翼梢小翼时（如BWB布局）该导数将增加，但仍明显小于常规有尾布局飞机，因而侧向过载对侧滑变化的敏感性下降；———————————————————————————————————————————————（3）相应地，翼身融合飞翼布局的偏航阻尼显著小于与常规有尾布局飞机，几乎降到与偏航交叉阻尼同量级；（4）横向稳定性、滚转阻尼等特性首先取决于机翼特性，翼身融合飞翼布局与常规有尾布局飞机相当。进一步，质量分布对比如表2。表2惯性矩对比Boeing7

7、47典型BWB[6]滚转惯性矩Ix:俯仰惯性矩Iy:偏航惯性矩Iz0.55:1:1.51.9:1:3.9BWB布局飞机具有大展弦比，短机身的特点，因此与常规飞机相比，其俯仰惯矩较其它轴的转动惯矩显著减小，而偏航惯矩变为最大。可以预期，同样的滚转阻尼参数范围下，BWB布局的滚转模态时间常数将加长；另外，BWB布局将趋于具有更缓慢的荷兰滚特性。1.2BWB布局基本模态特点和参数影响在巡航飞行条件下，典型BWB布局与常规布局飞机横航向模态特性对比如表3。可见到，BWB布局飞机有一个不稳定的荷兰滚模态，这是由于其航向静不稳定和低偏航阻尼所致。2中