风作用下机载拖曳天线的动力学建模与分析.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252013V01．34No．112565．2571ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．ca风作用下机载拖曳天线的动力学建模与分析郑小洪，韩维，贾忠湖。海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001摘要：建立了风作用下的机载甚低频拖曳天线动力学模型并给出了一种适合该模型的数值计算方法。根据微元法推导建立在风作用下的机载甚低频拖曳天线动力学模型，该动力学模型是一个复杂的偏微分方程组。利用微扰动方法将偏微分方程组转化为

2、一个常微分方程组和一个简单的偏微分方程组，针对转化后的偏微分方程组，采用Galerkin方法进行离散求解。在相同的条件下，仿真结果在频率和幅值上与飞行测试结果相吻合，表明所建动力学模型是可信的。最后，以南海海域(110E，20N)2009年的平均风速轮廓为背景，研究了风作用下的拖曳天线动力学问题。仿真结果表明：在风的作用下，天线以及天线末端锥袋会发生大幅振动，通过控制载机的倾斜角可以在一定程度控制天线及天线末端锥袋的振动。关键词：拖曳天线；动力学模型；垂直度；振动分析；微扰动方法；Galerkin方法中图分类号：V243文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)11—2565

3、—07飞机对潜通信是各国重点研究解决的关键技术，其中甚低频拖曳天线是飞机对潜通信的最关键部分。例如，美国的“塔卡木”系统开始时使用单根半波长拖曳天线，天线长近万米，为保证天线的有效正常工作状态，即保证天线的垂直度不小于70％(所谓垂直度即天线末端锥袋与载机之间的垂直高度与天线长度之比)，载机必须以一定状态进行稳定盘旋飞行。国内外研究和实践表明，拖曳天线力学特征和控制是飞机对潜通信系统进一步深入论证需要解决的关键问题之一[1]。航空拖索在航空航天领域应用很多，Zhu和Rahn[21针对航空拖索系统建立动力学模型，分析了拖索运动的稳定性；郑小洪[31和贾忠湖H1等研究了机载甚低频拖曳天线的稳

4、态动力学，在不考虑风的影响下分析了天线稳态动力学和非线性振动；曹喜滨等口书3以大型空间绳系辅助系统为背景，利用微分法和拉格朗日方程建立了有分布质量的柔性绳系辅助返回系统的展开动力学模型，采用Galerkin方法进行离散化处理得以求解；James[7]和Lemon[81等研究了在空气阻力作用下的航空拖索动力学问题，并运用微扰动方法对所建立的动力学模型进行近似求解。然而，上述文献均未考虑风对航空拖索的作用。在柔索的其他应用方面，风作用下柔索系统的动力学研究已经引起了很多学者的注意[91引。但是，目前研究主要集中在垂直方向上的空间跨度较小的柔索上，而机载甚低频拖曳天线在垂直方向上的空间跨度非常

5、大。随着垂直方向空间跨度的增加，风速大小和方向将随着高度不断变化，这种变化会在天线长度上产生一种不均匀的激励。在这种激励下会导致甚低频拖曳天线的大幅振动，导致天线的动力失稳，影响天线的正常工作状态，因此对其进行研究是十分必要的[13。14

6、。本文运用微元法建立机载甚低频拖曳天线在收稿日期：2012-11—27；退修日期：2013-01-05；录用日期：2013—03-19；网络出版时间：2013．03—2809：29网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20130328．0929．002．htmI*通讯作者．Tel．：0535—6635597

7、E-mail：jiazh586@sina．com戮用格武：ZhengxH．HanW．JiaZH．Modelingandsimulationoftrailingantennaonanaircraftunderwind．ActaAeronauticaetAstronauti-caSinica，2013，34(I，Jj2565-2571．帮小洪，带维，牙，孽磅．风斧用下祝翥籀曳天线的动力学建模与分析．艏空学扳，2013，34(¨)：2565—2571．航空学报Nov．252013YoI．34No．11风作用下的动力学模型，并运用微扰动方法对其进行近似求解。1机载拖曳天线的动力学建模1．1基本建

8、模假设根据机载拖曳天线的运动情况，为便于动力学建模及求解，结合航空拖索的国内外现状，作出如下假设：假设1拖曳天线及末端锥袋对载机的运动影响很小，在建模过程中可以忽略不计。假设载机始终匀速盘旋，且载机始终在一个平面上。假设2拖曳天线是一种不可延长的柔性体。假设3在机载拖曳天线系统工作时，忽略天线本身的扭转运动，且天线始终在载机所在水平面的下方，并一直处于张紧状态。假设4相对于平均风速，湍流风速通常较小，且随时间变化。而本文主要是研究风