一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

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1、2015年1月北京航空航天大学学报January2015第4l卷第1期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．1http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965。2014．0048一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析张杰，吴森堂+(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191)摘要：对可变展长、可变后掠崩的变体飞行器物理模型进行了简化，基于Kan

2、e方法，将变体运动假设为已知的可控输入，利用约束方程来表示机翼的变形运动，选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率，建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型．定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响，仿真结果表明，在平稳飞行条件下，相对于变形引起的空气动力的变化，机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小．在不同的变形速度下，对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析，仿真结果表明，变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大交化．关键词：变体飞行器；动力学模型；建模；变

3、展长；变后掠角；Kane方法中图分类号：V212．1文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)01-0058-07近年来军用和民用航空对飞行器提出了越来越高的要求：飞行器既要适应飞行环境的变化、执行不同任务，又要保证飞行性能．显然固定翼飞行器技术无法同时满足这些要求．变体飞行器技术应运而生．变体飞行器指一种为了实现多任务飞行，大尺度地改变气动外形的航空飞行器¨。1．在过去几十年中，世界各国开展了大量与变体飞行器技术相关的研究．其中美国开展的研究数量最多、范围最广，主要有1979年的AFTI／F111自适应机翼项目¨o，1

4、985年的主动柔性机翼(AFw)计划”。，1995年的智能机翼项目¨。，以及2003年的变体飞行器结构(MAS)项目¨1，这些研究计划在针对变体飞行器的气动性能、结构设计、控制技术、智能材料、多学科综合技术等方面进行了很多理论分析与试验，取得了很多有价值的成果．国内为数不多的单位在变体飞行器的气动机理、材料与结构、动力学建模和控制等方面也取得了一定的成果⋯⋯．由于变体飞行器需要在相当大的范围内改变气动外形，因此，不能像常规飞行器那样将变体飞行器作为单个刚体进行动力学建模，而要建立一种包含变形结构的动力学模型．文献[11]提出了一种变

5、体飞行器的飞行力学建模方法，并在一种鸥翼飞行器中进行了仿真验证；文献[12]针对大尺度变形的变体飞行器提出了一种动力学建模与飞行控制方法；文献[13]为一种可变展长的飞行器建立了动力学模型．以上建模过程大多采用经典牛顿力学方法，把飞行器看作一个整体，求取其动量和对质心的动量矩，并对时间求导，进而建立飞行器在外合力F作用下的平移运动方程与在外合力矩M作用下的转动运动方程．本文将可变展长、变后掠角的变体飞行器简化为一个多刚体系统，采用Kane方法建立其动力学模型，使方程中不出现积分项以及对惯性矩的收稿日期：2014-01-23；录用日期

6、：2014-04．30；网络出版时间：2014-05．0915：35网络出版地址：WWW．enki．net／kems／doi／lO．13700／j．bh．1001-5965．2014．0048．html基金项目：国防基础科研项目(B2120132001)作者简介：张杰(1981～)，男，河北沧州人，博士生，zhangjiebhu@163．cornt通讯作者：吴森堂(1963一)，男，山东平度人，教授，woost@sina．corn，主要研究方向为导航、制导与控制；f用格式：张杰，吴森堂．一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析Uj．

7、北京航空航天大学学损，2015，41(I)：58-64．Zhangj，WuST．Dynamicmodelingforamorphingaircraftanddynamiccharacteristicsanalysis【j3．JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(I)：58-64(inChinese)．第1期张杰，等：一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析59求导项．基于此动力学模型，分析了变体运动对飞行器产生的附加动力学影响，并对变体过程中飞行器

8、的纵向运动响应进行了仿真分析．1Kane方法对于非完整系统，Kane方法选取f(f为系统的自由度数)个独立的广义速度的线性组合作为系统的独立变量，描述系统的运动，称该线性组合为广义速率，记作“。(k=1，2，⋯∽．“。确定后，系统中任