临近空间太阳能飞行器横航向稳定性

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstronauticaSinicaApr．252016Vol37No．41148—1158ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Ehkxbbuaa．edu．C13hkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／$1000—6893．2015．0225临近空间太阳能飞行器横航向稳定性李锋，叶川*，李广佳，郑安波，付义伟中国航天空气动力技术研究院，北京100074摘要：临近空间太阳能飞行器的横航向气动导数和质量特性与常规飞行器存在显著差异，其横航向模态具有不同于常规飞行器的特点。

2、理论分析表明，临近空间太阳能飞行器滚转交感动导数较大，偏航阻尼动导数较小，导致螺旋模态发散；航向气动阻尼力矩和惯性力矩之比较大，因而荷兰滚模态阻尼比较大。为解决常规线性化动力学模型无法体现风场影响的问题，以地速在机体坐标系中的投影作为状态变量，建立了考虑风场影响、适用于地速为0m／s状态的线性化横航向动力学模型。利用此模型分析了临近空间太阳能飞行器在水平风和垂直风中的横航向稳定性。分析结果表明，稳定风场对横航向模态特征根无影响，但会导致横航向模态特征矢量发生改变。建立的动力学模型可用于此类飞行器的动力学分析和仿真。关键词：临近空间；太阳能；横航向

3、；稳定性；模态；动力学模型；风场中图分类号：V212．12文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)04—1148—11临近空间太阳能飞行器以太阳能为主要能量来源，在20～30km高度持续飞行，可用于高分辨率对地观测、通信中继、大气研究以及电信服务等多种用途，已成为国内外航空领域的研究热点L1。5j，典型机型包括美国的“Helios”无人机和英国的“Zephyr”无人机。临近空间太阳能飞行器飞行速度慢，翼载低，展弦比大，易受风场影响，良好的本体稳定性对飞行安全至关重要。2003年美国“Helios”无人机在飞行试验期间遭遇湍流，发生了

4、与机翼大上反变形耦合的长周期振荡发散，导致空中解体[6]。之后国内外对大柔性太阳能飞行器的气动弹性变形与飞行动力学耦合问题开展了大量研究。文献[7—10-I开发了非线性气动弹性仿真程序，并设计制造了X—HALE飞行器。Murua等采用数值方法研究了大柔性飞行器的稳定边界条件和在大气湍流作用下的动力学响应[1¨。国内西北工业大学的肖伟[12‘13]、冯扬帆[141等研究了大柔性太阳能飞行器的弹性变形对飞行品质和控制特性的影响。虽然某些临近空间太阳能飞行器机翼柔性较大，但刚体状态的飞行动力学特性研究是气动弹性与飞行力学耦合问题研究的基础，而且类似“H

5、elios”无人机机翼柔性非常大的情况并不普遍。目前研究刚体临近空间太阳能飞行器飞行力学的公开文献较少。王睿等[1钥采用螺旋桨受到扰动后转速不变的假设，分析了沿展向分布的多个螺旋桨产生的航向阻尼，认为展向分布的多个螺旋桨产生的航向阻尼可以改善荷兰滚和螺旋模态的稳定性。肖伟等[16]建立了太阳能无人机分布式推进系统的数学模型，研究了分布式推进系统设计参数、分布位置及控制方式等对太阳能无人机横航向飞行品质的影响。这些研究对沿展向布置多套螺旋收稿日期：2015-06—12；退修日期：2015-07-21；录用日期：2015．08．07；网络出版时间：2

6、015—09—3011：09网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／datail／11．1929V20150930．1109002html*通讯作者Tel：010-68741286E-mail：15901480592@163com辫用撂武

7、李锋．叶朋，李广佳，等．临近空间太阳能飞行器横航向稳定性[J]．航空学报，2016，37(4)：1148．1158iLIF．YEC．LIGJ．eta1．Lateral-directionalstabilityofnear-spacesolar-poweredaircra赶JI．ActaAeronautic

8、aetAstronauticaSinica．2016．37(4)：1148-1158李锋，等：临近空间太阳能飞行器横航向稳定性桨，且螺旋桨位置较靠外的临近空间太阳能飞行器有一定参考意义。国内外对此类飞行器刚体飞行力学特性的研究并不深入。临近空间太阳能飞行器具有独特的气动和质量特性。临近空间太阳能飞行器巡航升力系数大，可达1．0以上，展弦比大，一般在20以上，气动特性不同于常规飞行器。其翼载为每平米几公斤，比常规飞行器小1～2个数量级，质量特性与常规飞行器存在显著差异。独特的气动和质量特性必然导致其具有特殊的飞行品质。但国内外文献对此类飞行器的飞行

9、动力学特性，以及导致这些特性的机理等问题并未开展充分研究。临近空间太阳能飞行器飞行力学特性研究需要重点考虑风场的影响。临近空间太阳能飞行