直升机吊挂飞行动力学建模与分析

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1、总第165期2010年第4期直升机技术HELICOPTERTECHNIQUETotalNo．165No．42010文章编号：1673．1220(2010)04-033-04直升机吊挂飞行动力学建模与分析吴鹏，马成江，朱国民(中国直升机设计研究所，江西景德镇333001)摘要根据直升机吊挂飞行时的气动和飞行动力学特性，建立了直升机带吊挂物的飞行动力学模型，包括吊挂物和绳索的动力学模型，吊挂物的六自由度运动模型，其中吊索采用了柔性钢索模型，计入了吊挂模型的气动阻力，计算分析了外吊挂物对直升机配平特性和操纵响应的影响。关键

2、词直升机；吊挂；飞行动力学中图分类号：V212．4；0242．1文献标识码：AFlightDynamicsModelingandHandlingQualityAnalysisofHelicopterwithSlung-loadWUPeng，MAChengjiang，ZHUGuomin(ChinaHelicopterResearchandDevelopmentInstitute，Jingdezhen333001，China)AbstractInthisarticle．thedynamicmodelofhelicopte

3、rwithslung．10adwasbuiltinthebaseofthedynamicscharacterofhelicopterflightwithslung—load，includingthedynamicmodelandsixfree—doramotionmodelofslung-loadandcable．Theflexiblecableandtheairresistanceofslung-loadwerealsoconsidered，andthetrimcharacterandcontrolresponse

4、ofhelicopterwithslung-loadwerecalculatedandanalyzed．Keywordshelicopter；slung—load；flightdynamics1引言2吊挂体及吊索数学模型吊挂运输飞行是直升机的主要工作特点之一，直升机吊挂飞行已广泛应用于国防和国民经济建设。本文根据直升机吊挂飞行时的气动和飞行动力学特性，建立了直升机带吊挂物的飞行动力学模型，包括吊挂物和绳索的动力学模型，吊挂物的六自由度运动模型，其中吊索采用了柔性钢索模型，计入了吊挂模型的气动阻力，计算分析了外吊挂物对

5、直升机配平特性和操纵响应的影响。2．1吊挂体受力分析直升机吊挂系统模型如图l、图2所示。吊挂体上的力包括：1)重力户mj，作用于重心，垂直向下，指向地心，并投影和分解到吊挂体坐标系；2)气动力户越Ii’气动力矩庸则，基于吊挂体坐标系，来自吹风数据；3)吊索拉力合力巩。；，吊索引起的力矩厢舢，收稿日期：2010-08-23作者简介：吴鹏(1983．)．男．江西进贤人，工程师，主要研究方向：空气动力学。·34·直升机技术总第165期折算到吊挂体坐标系；4)吊挂体惯性力F；洲，来自运动加速度和科氏力项。以上4个力和力矩之和

6、为0：F西Lj+F晤Lj+FcslJ+F蕊U20M。sL_／+肘舢+肘刚20(2)以上力和力矩的方程，就是构成吊挂体运动方程的主方程。再加上三个角运动辅助方程，就构成了吊挂系统的运动学方程组。(1)吊挂体6自由度运动学方程是：8烈tj+1^)sUqsLj—ffSL_irSLi+gsin封sU2I烈'j，mSU0ySL_i+u虬r．sL_i—tt}sUpsu+gcOSOsLzco印s,,z2F}sLj／msLj口蜕J+秽sL护su一“sL』gsu—gCOS0sLjsin咖sL_j=jk／ms‘jk訾+蚶鲫(k一铀)+(

7、‰～一警)o；‰o警+ps嘶u(。乞)+(‰协一警)_=‰乞警+p跚g剐(岛一L)+(g妇乞I岛=幔蛳(3)图l直升机吊挂模型示意图图2吊挂物受力示意图图3单点单段吊挂模型2．2单点单段吊索模型为了能够准确描述吊挂物的六自由度运动，本文除了考虑吊挂体本身运动以外，还考虑了吊索的柔性。在实际应用中，吊索都具有一定的弹性和部分具有阻尼的特性，而在多数应用下，吊索几乎是不弯曲、承受拉力而不能承受压力的。这里主要描述单段建模。因为单段吊索模型适合绝大部分场合，而多段吊索模型适合长、大的双介质吊挂仿真建模。为满足计算速度和逼真

8、度的双重要求，建立模型．示意图见图3。建立了柔性吊索模型，与直升机飞行动力学模型和箱体动力学模型等共同组成本文的吊挂分析模型。吊索动力学模型可写作：Mx+&+Kx=F(4)式中：肼为吊索质量；C为吊索阻尼；K为吊索刚度系数；菇为吊索长度；F代表钢索受力。2．3全机数学模型描述上文已经完整地建立了吊挂系统模型，同时结合旋翼气动载荷分析模型，综合机