推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252012V01．33No．81355—1363ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaedu．cnhkxb@buaa．eduon文章编号：i000—6893(2012)08—1355—09推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究吴志刚1’*，楚龙飞1，杨超1，唐长红21．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1001912．中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，陕西西安710089摘要：对于采用吸气

2、式超燃冲压发动机的高超声速飞行器，其发动机推力可能与机身弹性发生耦合影响，从而引起所谓的推力耦合气动伺服弹性(ASE)问题。为对其耦合原理及影响进行研究，以简化的飞行器纵向模型为对象，考虑结构弹性、菲定常气动力、冲压发动机以及控制系统之间的相互耦合作用，建立了推力耦合的高超声速飞行器气动伺服弹性问题的一般建模框架和分析流程。采用牛顿冲击理论计算高超声速非定常气动力，基于准一维流动假设分析发动机性能。算例结果表明，考虑发动机推力的耦合影响后，飞行器的短周期特性和气动伺服弹性特性均有明显改变，气动伺服弹性稳定裕度下降可达16％，应当

3、引起飞行控制系统设计部门的重视。关键词：高超声速飞行器；气动伺服弹性；超燃冲压发动机；推力耦合；牛顿冲击理论中图分类号：VZtl，3文献标识码：A飞行器气动伺服弹性(Aeroservoelasticity，ASE)问题是由飞行器结构弹性、非定常气动力与飞行控制系统相互耦合引发的稳定性问题。由于真实飞行器的弹性效应，飞行控制系统接收的传感器信号不仅包含飞行器刚体运动信息，也包含结构的弹性振动信息。一般来说，这将会导致原本将飞行器视为刚体而进行设计的飞行控制系统稳定裕度下降，严重时还会发生失稳，酃所谓的气动伺服弹性问题。高超声速飞行

4、器一般是指飞行马赫数Ma。>5，可实现跨大气层飞行的飞行器[1]。新一代高超声速飞行器一般具有以下特点[2。4]：①飞行包线大，飞行过程中动压、马赫数及飞行姿态等变化范围很大；②一般采用升力体构型，机体细长，结构质量系数很小，机身弹性频率较低；③一般采用吸气式超燃冲压发动机作为推进系统，整个飞行器的前体下表面作为发动机进气道的预压缩段，飞行器姿态及前体的结构动力学特性会直接影响发动机的入口气流状态，进而影响发动机推力以及后枫身的气流状态。由于以上原因，新一代高超声速飞行器的飞行动力学、机体结构弹性、发动机以及控制系统之间存在严重

5、的耦合作用，推力耦合对传统气动伺服弹性稳定性的影响不可忽略，因此在对其进行动力学建模时必须综合考虑各因素之问的相互影响，采用气动／结构／推进一体化设计n。7j，进而进行稳定性分析和相应的飞行控制系统设计。国外从20世纪90年代开始对此类飞行器进行气动弹性方面的相关研究。Schmidt[81针对类似X一30类型的吸气式高超声速飞行器进行了俯收稿日期：2011—09—16；退修日期：2D11—11—07；录用日期：2012—03·13；网络出版时问：2012-05—2012：58网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／det

6、ail／111929V．201205201258013html基金项目：国家自然科学基金(91116005，10902006)；航天科技创新基金*通讯作者Tel：010-82317510E-mail：wuzhigang@buaaeduca瓢用梧武

7、WuZG．ChuLF，Yangc，eta1．StudyOnaeroservoelasticityofhypersonicvehicleswiththrustcoupling．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012．33(8)：1355—1363

8、．吴志嘲，楚龙飞．杨趣，等．推力藕合的高超声速飞行器气动伺服弹性研究．航空学报，2012，33(8)：1355—1363航空学报仰姿态动力学特性分析，研究发现模型并未出现传统概念的颤振，但存在强烈的气动推进／气动弹性耦合，因而需要开发综合的机身／推进控制系统。Raney等∽]研究了气动弹性对于推进系统和纵向飞行动力学品质的影响，采用根轨迹方法分析了推力扰动反馈至气动弹性模型后的系统稳定性变化，获得了纵向飞行动力学、推进力和结构弹性相互作用的趋势，并建议该类问题进一步研究可考虑非定常气动力对于推进效率的影响。针对此类飞行器刚体飞行

9、力学、推进系统和结构动力学之间的复杂耦合情形，Lind等[53采用多回路方法进行气动伺服弹性综合控制，其内回路实际上是一个模态阻尼控制器，外回路则解决发动机与机身的耦合问题。国内许赞口叩针对吸气式高超声速飞行器模型研究了无控情况下的气动推进／气动弹性耦合作用，完