硬式空中加油系統(tǒng)的飛行力學與飛行控制研究.pdf

1、空中加油能在飛行中為飛機補充燃油，提高飛行效能。空中加油有軟式和硬式兩種技術方案，其中硬式加油對接更為便捷，輸油速度更快，能大為提升空中加油的效率。因此，以大型運輸機為平臺，研制大型專用加油機和硬式加油技術，對提升我國空中加油能力具有重要意義。
　　硬式加油系統(tǒng)是由加油機、伸縮管、受油機三者通過萬向節(jié)與球鉸鉸接在一起構成的多剛體系統(tǒng)。系統(tǒng)結構復雜、構型多變、剛體數(shù)目多、運動自由度高、工作環(huán)境復雜，這些特點為系統(tǒng)運動分析與控制系統(tǒng)設

2、計帶來了巨大困難。國內既有研究僅限于建立伸縮管在理想條件下的運動模型，設計伸縮管增穩(wěn)控制律或姿態(tài)控制律等方面；沒有形成對伸縮管氣動特性、運動模態(tài)、多剛體運動特性的系統(tǒng)認識，也沒有建立自動卸載系統(tǒng)、人工操縱下伸縮管控制系統(tǒng)、伸縮管全任務周期自動控制系統(tǒng)的設計方法。針對上述問題，本文開展了系統(tǒng)研究。
　　首先，建立伸縮管氣動力矩估算模型與姿態(tài)運動模型，詳細分析伸縮管的氣動特性與運動模態(tài)。將伸縮管的管身與舵面比擬為機翼來估算氣動力矩；通

3、過仿真研究氣動特性的變化規(guī)律，建立形式簡潔的高精度氣動規(guī)范模型。在加油機定直平飛、內管靜止的條件下，建立伸縮管的姿態(tài)運動模型；從理論上分析伸縮管的運動模態(tài)與常規(guī)飛機的不同之處；通過仿真揭示伸縮管運動存在的阻尼比低、通道耦合、參數(shù)攝動等問題。
　　其次，采用凱恩方法解決硬式加油系統(tǒng)的全構型多剛體動力學建模問題，詳細分析系統(tǒng)的多剛體運動特性。分別為系統(tǒng)的未對接狀態(tài)與已對接狀態(tài)建立多剛體運動模型，最終得到一組能對硬式加油全過程進行仿真的

4、模型。建立加油機的尾流場及其對受油機影響的模型以提高建模精度。設計加油機與受油機的自動駕駛儀，構建典型加油環(huán)境對系統(tǒng)的多剛體運動特性進行仿真分析。在未對接狀態(tài)下，重點分析加油機機動動作、內管伸縮運動對伸縮管姿態(tài)運動造成的影響；在已對接狀態(tài)下，重點分析對接應力的產生機理以及影響對接應力的因素。
　　再次，提出人工操縱下伸縮管控制系統(tǒng)的功能需求，提出一種自動卸載控制律的設計思路，解決控制系統(tǒng)的綜合設計問題?？刂葡到y(tǒng)由增穩(wěn)控制回路與自動

5、卸載回路構成。兼顧操縱性能要求、對彈性模態(tài)的抑制要求、操縱伸縮管時對精確調節(jié)與快速調節(jié)的雙重要求等，設計增穩(wěn)回路以改善伸縮管在未對接狀態(tài)下的操穩(wěn)特性。在卸載回路的設計中，提出在增穩(wěn)回路基礎上進行設計的思路以降低控制器復雜度；采用姿態(tài)角反饋與力反饋相結合的卸載回路結構以提高卸載能力；采用操縱桿反驅動的綜合控制方案以削弱控制模態(tài)切換的不良影響。
　　最后，基于空中加油自動化程度不斷增強的趨勢，提出硬式加油全任務周期內的伸縮管自動控制問

6、題，解決控制律與控制系統(tǒng)的綜合設計問題。將該控制問題歸結為：在強復合干擾環(huán)境下，未對接狀態(tài)下伸縮管對動態(tài)受油插槽的精確跟蹤問題，和已對接狀態(tài)下對接應力的自動卸載問題。對于前者，采用反饋線性化、干擾觀測器、反演自適應控制相結合的方法設計控制律；對于后者，采用姿態(tài)角反饋與力反饋相結合的方法設計控制律。將硬式加油的任務周期劃分為預備、對接、輸油與分離四個階段，設定各階段的控制律與控制指令，建立階段間的切換規(guī)則，最終得到完整的控制器，并通過仿真