高超声速飞行器动力学建模与分析.pdf

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1、第29卷第10期计算机仿真2012年10月文章编号：1006—9348(2012)10—0071—05超声速飞行器动力学建模与分析张晓东，方群，欧岳峰，孙冲(西北工业大学航天学院陕西西安710072)摘要：吸气式高超声速飞行器本身具有复杂动力学特性，由于存在强烈的结构弹性／推力／气动的耦合以及其力学环境的诸多不确定因素，使得飞行器本身的动态特性相当复杂。经典牛顿力学方法建模难以清楚反映飞行器结构弹性／推力／气动耦合。为更为精确的分析高超声速飞行器复杂的动力学特性，本文针对吸气式高超声速飞行器采用拉格朗日法进行了建模与动态特性

2、分析，选择了具有代表性的特征点，建立了小扰动模型，在不同特征点上采用拉格朗日模型和牛顿力学模型对比分析高超声速飞行器的动力学特性。结果表明，拉格朗日方法所建立的动力学模型能够更清楚地符合高超声速飞行器结构弹性和气动特性耦合以及发动机尾流和气动特性之间的耦合特性。关键词：高超声速飞行器；动力学；动态特性分析‘中图分类号：V212．12+1文献标识码：BAir——BreathingHypersonicVehicleModelingandDynamicAnalysisZHANGXiao—dong，FANGQun，0UYu—feng

3、，SUNChong(CollegeofAstronaustics，NorthwestPolyteehenicalUniversity，Xi’anShanxi710072，China)ABSTRACT：Thestrongstructuralflexibility／thrust／aerodynamiccouplingaswellasmanyuncertaintiesgivetheair—breathinghypersonicvehiclecomplicateddynamics．ItisdifficultforClassicalN

4、ewtonianmechanicsmodelingtoclearlyreflectthatcomplexcouphng．Inordertorealizeamorepreciseanalysisofthehypersonicvehicledynamics，ahypersonicvehiclemodelwasdevelopedbasedontheL卿百anmethodinthispaper．Thenweanalyzedthedy—namicsofthisaircraftmodelontwoselectedrepresentati

5、vefeaturepoints，andsmallperturbationmodelWasestab—lished．Whatismore，weanalyzedthestabilityofeachmodel．Theresultsshowthat，comparedwithNewtonianme-chanicalmethod，themodelbasedontheLasrangianmethodclearlyshowthefeatureofthecouphngbetweenthestructureelasticandaerodynam

6、ic，aswellasthecouplingbetweentheenginewavedynamicsandaerodynamic．KEYWoRDS：Hypersonicvehicle；dynamics；Dynamicsanalysis1引言吸气式高超声速飞行器动力学特性分析是高超声速飞行器的关键技术，其结果不仅直接影响到飞行器控制律的设计，而且还反作用于飞行器的总体设计。由于吸气式高超声速飞行器采用了先进的机身／发动机一体化设计方案，导致其动力学特性很复杂。国内外学者对高超声速飞行器动力学特性分析和研究做了大量的工作，Sco

7、ttG．V．Frendreis等人基于高超声速六自由度模型推导其稳态巡航飞行条件，并在此特性点对运动方程进行线性化处理，分析了飞行器六自由度下的稳定性⋯。ShahriarKeshmifi等人基于牛顿原理及欧拉定理推导基金项目：国家自然科学基金资助项目(10872166)收稿日期：2011—10—19修回日期：2011—12—20了高超声速非线性纵向和侧向运动方程，然后基于CFD一风洞试验数据采用非线性分析拟合技术得到飞行器动力学参数拟合表达式，最后基于动力学参数拟合表达式分析飞行器纵向和侧向运动稳定性Hj。鲍文等人基于牛顿为

8、学原理推导了综合离心力和气动力的高超声速飞行器纵向运动模型，分析了离心力对飞行器纵向运动稳态特性的影响HJ。上述这些工作都是基于牛顿动力学模型进行的。由于牛顿力学模型属于质点动力学模型，因此在运用其针对具有复杂动力学特性的吸气式高超声速飞行器进行动力学建模时，不可避免导致飞行器力学描述的不