吊挂物为刚体模型的直升机外吊挂飞行平衡与稳定性分析

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1、吊挂物为刚体模型的直升机外吊挂飞行平衡与稳定性分析摘要：基于外吊挂刚体假设，建立直升机一刚体吊挂稱合非线性动力学模型，刚体模型的外吊挂引入了额外的自由度和额外约束，使原来的9阶直升机非线性动力学方程增加到19阶，并通过小扰动假设进行线性化。利用延拓方法对直升机一刚体吊挂系统在不同的飞行速度下进行配平，与直升机单体飞行的实验数据以及直升机一质点吊挂系统的计算结果进行对比，分析带刚体外吊挂的直升机与无吊挂和质点吊挂模型平衡状态的差别。采用差分法计算刚体吊挂假设下直升机的运动模态，并分析加入外吊挂后对直升机稳定性的影响。结果表明，刚体外吊挂给系

2、统引入5个新的运动模态，其中吊索摆动的两个运动模态是稳定的，而吊挂姿态运动的3个运动模态不稳定，同时吊挂的引入使得直升机运动的短周期模态和滚转模态变得不稳定，严重影响了直升机的飞行品质。关键词：直升机；刚体吊挂；配平；稳定性；模态中图分类号：V211.3文献标志码：A文章编号：1005-261502-0296-08直升机的一个特性就是能够通过绳索运输比较笨重的货物，这种能力在许多方面有着重要的应用。但是吊挂运输的可操作性受困于系统的稳定性和操纵性问题，对直升机和吊挂系统而言，为了解决这些问题选择一个好的动力学模型是必要的，因此本文对直升机

3、吊挂模型的建模、配平和稳定性分析进行了详细的研究。国外对直升机外吊挂的研宄起步较早，而且成果丰硕。1965年，文献首次展开了直升机吊挂飞行自动控制问题的研究，其吊挂物的动力学模型基于拉格朗日方程。1973年，Poli等人开展了单点吊挂形式下的直升机吊挂飞行稳定性研宄，考虑了集装箱和圆柱体两种吊挂外形，给出了吊挂气动模型，对吊挂的动力学方程进行了小扰动线化处理并带人数据进行分析，采用经典的Rououth-Hurwitz判据进行稳定性判断。1980年，Maryland大学Sampath的博士论文中，完成了纵列式直升机吊挂飞行的建模、仿真以及吊

4、挂风洞实验等工作。1986年，Ronen等人用一种新的思路以3种不同的单点吊挂形式对直升机吊挂进行建模，模型的推导过程和数值处理都在一定程度上得到了简化，其推导出完整的非线性动力学模型，然后进行小扰动线化处理，并带入气动导数数据得到线化模型。从1990开始，直升机吊挂飞行研究工作的系统性、多样性和集成性有了很大的加强，Cicolani团队工作的深度、广度和时间跨度都堪称本领域之最，文献中建立了一般吊挂形式的通用飞行动力学模型，考虑了十几种不同的吊挂构型，其建模过程的广义坐标的选取方法也非常巧妙。2001年，文献提出了一个基于刚性吊索和质点

5、吊挂的直升机吊挂飞行动力学模型，该模型的优点是在较强简化假设下有足够高的精度，其建模思路对本文的研究工作有很大的影响。国内直升机吊挂飞行力学方面的研究起步较晚，而且在很长一段时间内停留在概念设计和理论分析阶段。经过多年的研究，不同的研究者根据不同的吊挂假设建立直升机一吊挂耦合系统动力学模型，其中崔瑛在文献的基础上对直升机引入吊挂之后直升机本体气动导数所受到的影响进行研宄分析。文献在文献的基础上对弹性吊索、操稳特性以及吊挂的构型等进行了深入研究。曹义华等人对直升机-吊索-吊挂物之间的气动流场进行了分析，从流体力学角度对三者的耦合气动力学进行

6、了详细的研宄。本文直升机吊挂运动模型是在文献的基础上，将质点吊挂模型假设变为刚体假设，而且增加了吊索所在直线通过吊挂质心这一假设。本模型假设比质点假设更加贴近于实际情况，考虑了因为吊挂物姿态变化所引起的气动力变化以及吊挂物姿态运动对直升机稳定性的影响，不仅考虑了吊挂所受到的准静态阻力，同时计入了吊挂物所受到的侧向力和升力以及相应的力矩。文中给出了直升机一刚体吊挂耦合系统动力学模型，同样进行了配平、稳定性和运动模态分析，与之前的质点吊挂模型的结果进行了对比，并进行了相应的分析。