飞行器刚体与弹性体气动弹性耦合对飞行稳定性与控制的影响研究

To fulfill long-endurance mission, newly designed aircrafts tend to have extreme high aspect ratio, tailless configuration, light weight structure and noticeable deformation during flight. All these characters make this kind of vehicle suffered from severe aeroelastic coupling between rigid-body movement and flexible wings deformation, which greatly affect vehicle's flight performance. And there is a high possibility this kind of vehicle will face Body-Freedom-Flutter(BFF) at very low airspeed. Considering these conditions, it is essential to set up a dynamic model which is able to accurately reflect the effects of aeroelastic coupling acting on the vehicle. The dynamic model is useful for the analyzation of vehicle's stability and controllability, and it can be used to give some guidance in the design process of closed-loop stabilizer. The specific research targets include: Set up a dynamic model which describes the aeroelastic coupling effects precisely, clarify the mechanism of flight stability and controllability variation caused by coupling. Search the effective methods to observe rigid-body movements and flexible structure deformation on-board and on-line, put up some guidance to the design of sensor system. Apply nonlinear adaptive control method on the control of flexible wing deformation and on the enhancement of flight stability, estimate control method's performance in a real-time nonlinear numerical simulation program. The outcome of this research is going to benefit the development of long-endurance vehicle in many ways, such as dynamic analyzation, sensing system design, stability improvement and numerical simulation methods.

满足长航时需求的飞机的普遍特点是：大展弦比或超大展弦比布局，重量轻，柔性大。这一特点会导致飞行器机翼的弹性模态与机体的飞行动力学模态在空速较低时即会发生气动弹性强耦合，引起颤振，严重影响飞机的正常飞行。因此有必要建立描述这类飞行器考虑大变形引起的气动非线性特征的刚弹耦合特性的飞行动力学数学模型，分析影响这类飞行器稳定性飞行可操纵性的主要因素，阐明这一类弹性飞行器飞行稳定控制策略的设计方法。研究包括：建立描述具有气动非线性特征和刚弹耦合特征的飞行动力学模型，明确刚体与弹性体间气动和惯性强耦合行成机制，以及对飞行稳定性产生影响的机理；弹性飞行器飞行运动状态与结构弹性变形运动状态的观测，阐明此类飞行器飞行状态观测系统的设计规律；弹性翼形变自适应控制与刚体姿态稳定非线性控制,利用基于时域的多体系统数值仿真手段加以验证。本研究的成果能够为长航时飞行器的设计提供支撑。

随着航空飞行器技术的不断发展，在结构减重、新材料机翼、特殊气动布局等因素的影响下，飞行动力学与气动弹性力学之间的刚柔耦合现象愈发凸显。当耦合效应明显到一定程度时，基于刚体飞行器假设得到的传统飞行动力学特性及相应的飞 控系统设计方法将变得不再适用。本项目主要针对飞行器刚体和弹性自由度运动之间的刚柔耦合现象及其动力学机理进行针对性分析，提出相应的机翼结构优化、主动变形 和闭环控制方法，实现利用机翼的主被动气动弹性变形来实现改善飞行器的飞行动力学特性、减缓阵风扰动和完成机动控制的目的。 . 主要研究内容为：主要针对飞行器柔性翼机翼与机体弱耦合、强耦合情况，推导了状态空间形式的刚柔耦合动力学模型。弱耦合模型基于平均轴系法和准定常假设，推导出的状态空间形式的模型具有较高的透明度。强耦合模型基于自由-自由模态法，在简化了耦合建模数学过程的同时， 直观体现了惯性力产生的刚柔强耦合效应。这是本项目研究得到的最基础的理论成果，在此基础之上，设计了基于鸟类翅翼特点的柔性机翼，利用其被动变形特性改善了小型飞行器的动力学特性，增强其抗阵风能力。采用压电执行机构完成了主动变形翼的设计，并应用控制模态定义的方法建立了变形翼的气动伺服弹性模型，通过开环控制仿真对主动变形效果进行了验证。结合压电陶瓷复合材料与柔性翼的结构力学特性，给出了扭转为主的主动变形翼设计方案。仿真结果表明，压电陶瓷复合材料有能力实现类似尺度飞行器机翼的动态变形控制。控制输入产生的局部位置主动气动弹性变形量可以诱发气动载荷变化引起的整个翼展上的被动气动弹性变形，扩大变形控制和气动力控制的效果。建立了主动变形翼小型飞行器纵向和横侧向刚柔耦合飞行动力学模型，研 究主被动变形产生的刚柔耦合效应，得到了机翼主动变形与飞行机动之间的规律，数值仿真验证了主动变形翼的飞行机动控制能力。