柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252011V01．32No．91569-1582ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)09-1569—14柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合静、动态特性张健，向锦武*北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：高空长航时(HALE)飞机结构细长、具有柔性，在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合，这些现象显著影响其静、动态特性

2、。基于几何精确完全本征运动梁模型、ONERA动失速气动力模型和六自由度刚体运动模型，建立了考虑几何非线性、动失速和材料各向异性等因素的大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合模型。使用常规布局和飞翼布局两种柔性飞机算例模型，对大展弦比柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合配平、动稳定性和时域响应特性开展了研究。研究结果表明：当机翼变形较小时，柔性飞机配平迎角小于刚性飞机配平迎角，整个翼展范围内均可能发生失速，全机升力损失显著，可导致飞行高度迅速降低；当机翼变形较大时，柔性飞机配平迎角大于刚性飞机配平迎角，失速发生于翼尖且范围有限；机翼变形增大可导致全机运动趋于不稳定，气动弹性剪裁有

3、助于改善柔性飞机动稳定性。关键词：气动弹性；飞行动力学；柔性飞机；完全本征方程；几何非线性；动失速；刚体运动；高空长航时中图分类号：V211．47文献标识码：A高空长航时(HALE)飞机为降低重量和提高升阻比，使用轻质、各向异性材料，机翼细长，具有柔性。该类柔性飞机在常规飞行条件下可发生结构大变形、气动失速以及结构低频振动与刚体运动耦合，具有与刚性飞机显著不同的气动弹性和飞行动力学特性。因此，有必要建立以HALE无人机为代表的柔性飞机的非线性气动弹性与飞行动力学耦合模型，开展柔性飞机静、动态特性研究。文献[1]～文献[3]基于几何精确完全本征梁模型、二维准定常气动力模型和有限状态(Fin

4、ite-state)人流模型发展了HALE柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合分析程序(NonlinearAeroelasticTrimandStabilityofHALEAir—craft，NATASHA)。经过不断发展[4。6]，NA—TASHA能够分析各种布局柔性飞机的静平衡、动稳定性和时域响应等。文献[7]～文献[14]针对各种布局HALE柔性飞机发展了名为UM／NAST(TheUniversityofMichigan’SNonlinearAeroelasticSimulationToolbox)的非线性气动弹性与飞行动力学耦合分析工具，其理论模型使用了基于应变表达的梁模型和有

5、限状态非定常气动力模型[z’151，并引入了双线性扭转刚度来考虑机翼蒙皮褶皱效应。但在NATASHA和UM／NAST的理论模型中，均没有考虑动失速影响因素。目前国内研究者在关于柔性飞机全机建模方面开展的工作较少[1s-ls]。在文献[17]中为减小柔收稿日期：20”．01-07；退修日期：2011．02．18：录用日期：2011—04-05；网络出版时间：201I-05-0911：58：24网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110509．1158．006．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110509．1158．006

6、基金项目：国家自然科学基金(90916006)*通讯作者．Tel．：010-82338786E—mail：xiangjw@buaa．edu．Cft瓢甩播武l张健，向锦武．柔性飞机菲线性气动弹性s飞行动力学襁合静、动态特性￡J]．航空学壤．20II．32(9)：1569—1582，ZhangJian．XiangJinwu．Staticanddynamiccharacteristicsofc0_uDtednonlinearaemelasticityandflightdynamicsofflexibleaircraftt如．ActaAeronaut／caotAstronauticaS／n／ca

7、，2011．32(3)；1569-1582，航空学报SeD252011Vol32No9性飞机飞行载荷进行了多控制面偏转配平优化研究，其模型采用几何非线性欧拉梁和涡格法，配平变量未包含发动机推力。在文献[183中基于多体动力学方法和非定常、半经验的二维ONERA动失速模型通过时域响应分析方法研究了常规布局柔性飞机在平飞、盘旋、筋斗和俯冲一筋斗一跃升飞行状态下的刚柔耦合静、动态特性。笔者在大展弦比复合材料机翼非线性气动弹性研究[19zs