基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252016V01．37No82525-2538ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．C11hkxb@buaa．edu．cn基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析黄宇1，阎超1’*，席柯2，王文11．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京1000832．中国兵器工业导航与控制技术研究所，北京100089摘要：基于结合结构重叠网格、闭环PID控制器、舵偏控制律、刚体六自由度运动和非定常Navier—Stokes方程求解

2、等模块的数值虚拟飞行技术，对“起源号”返回舱、基本带翼导弹外形的多自由度非定常运动、受控特性及控制参数的整定开展了模拟。分析了不同自由度(DOF)下飞行器的运动特性，飞行器受扰动后的稳定性及控制参数的整定。计算结果表明：利用数值虚拟飞行技术可有效地开展复杂流动下飞行物体非线性运动问题的研究，对研究飞行器在非线性流动下的动态特性、受控特性、流动机理研究以及控制律的设计检验具有较高的工程价值和应用前景。关键词：计算流体力学(CFD)；重叠网格；PID控制；虚拟飞行；动导数；控制参数整定；动态特性；非定常流动中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：10

3、00—6893(2016)08—2525—14飞行器在大迎角、过失速等状态下飞行时，会出现复杂的分离涡等强非线性、非定常流动，与飞行器运动耦合将会使飞行器产生一系列的非定常运动现象，如极限环摇滚、俯仰振荡等，从而引起飞行器气动力的突变、迟滞及非对称特性，极易导致飞行器运动进入发散状态，严重影响飞行器的安定性、稳定性及受控性。由此，现代先进空战武器设计对飞行器的动态特性、稳定性及控制效率等的预测技术提出了要求口]。飞行器出现非定常、非线性流动情况下，线性化数据不能正确地刻画飞行器非线性的气动力和运动规律[23

4、。为了能有效地研究飞行器非定常运动中的气动、控

5、制等问题，国内外研究人员从20世纪80年代开始发展了一种新型的风洞试验技术，即风洞虚拟飞行技术[4-63(WindTunnelBasedVirtualFlightTesting)。通过将实验缩比模型安装有若干个自由度的支撑机构上，在风洞中开展运动模型的动力特性、控制特性的综合实验，在一定程度上模拟飞行器的真实飞行状态，获得飞行器动态品质及控制特性。但由于风洞试验的固有缺陷，如支架／洞壁干扰、机械阻尼、相似准则等难以完全满足等情况，导致难以准确地测量动态参数。此外，由于风洞一般只能提供直匀流，且模型支撑机构并不能在大范围内实现真实飞行自由度，因而模拟的仿真

6、程度也受到制约。近年来，计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)及大规模高性能计算技术发展迅速，CFD在基础理论和工程实践上都取得了令人瞩目的成就，以CFD技术为基础实现的基于方程的数值虚拟飞行技术已经成为可能"‘8]。数值虚拟飞行技术将飞行动力学方程／流体力学方程／控制律耦合实时求解，可开展全尺寸，真实运动／气流参数的非定常模拟，避免了风洞虚拟飞行技术的固有缺点，运动仿真程度更高。此外数值虚收稿日期：2016—01-11；退修日期：2016—02．17；录用日期：2016—04—06；网络出版时间：2016．04—2

7、015：26网络出版地址：WWWcnki．nel／kcms／detail／11．1929V201604201526．004．html*通讯作者．Tel．：010—82317019E-mail：yanchao@buaa．edu．cn戤用棒武

8、黄宇．闽趣．席柯．等．基f数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析!JI．航空学报．2016．37(8)12525-2538．HUANGY．YANC，XIK，eta／Analysisofflyingvehicle’SdynamMcharacteristicsbasedonnumericalvirtualflighttech

9、nology(J]ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2016．37(8)：2525．25382526航空学报Aug252016V01．37No8拟飞行技术灵活性更好、耗费低、周期短，在机理研究中对流场、运动参数的获取更为方便和丰富，在实际工程应用中可在各个阶段介入研究，为设计及验证飞行器气动、控制等系统的特性提供有力的依据，填补风洞虚拟飞行及飞行试验的不足‘9I。本文基于数值虚拟飞行技术，开展了返回舱、带翼导弹外形的动态特性研究。研究结果表明：数值虚拟飞行技术对复杂运动下的飞行器动态特性、飞行器的操纵特性、控制系统参

10、数的整定等问题的研究具有较高的工程价值和应用前景。1数值虚拟飞行方法1．1流动主