无人倾转旋翼机飞行动力学建模及操纵技术

2022-10-14王润宇

直升机技术 2022年3期

刘畅，王润宇，杨萌

(海军装备部，北京 10071)

0 引言

倾转旋翼机属于垂直起降飞行器的一个重要分支，兼有直升机和飞机的优点，可以像直升机一样垂直起降和空中悬停，又可以像固定翼螺旋桨飞机一样高速前飞，具有直升机飞行、过渡以及飞机飞行模式，同时也存在两种飞行器亟待解决的技术难题，特别是多模态飞行状态的飞行力学与飞行控制技术。近年来由于相关技术的发展和理论知识的积累，倾转旋翼机在我国也得到了一定程度的发展。

直升机飞行品质规范ADS-33中明确指出，直升机的大部分性能指标可以通过时域响应获得，而通过仿真可以方便地获得对象的时域、频域的性能指标。本文针对无人倾转旋翼机建立了机体的全量数学模型，并基于Matlab的Simulink仿真环境进行机体建模与仿真，进而得到了无人倾转旋翼机的各个模态飞行轨迹和相应的操纵输入。

1 飞行动力学建模

1.1 无人倾转旋翼机总体布局

无人倾转旋翼机由旋翼、机身、机翼、发动机短舱、水平安定面、垂直安定面、传动机构、机载增稳系统和起落架等部分组成。无人倾转旋翼机总体设计上采用正常的上单翼飞机布局；在两机翼上分别安装襟副翼；两机翼外侧布置可倾转的旋翼短舱系统；飞行器尾部安装水平安定面、垂直安定面以及升降舵和方向舵；布置前三点式起落架；两台发动机通过同步协调轴分别驱动两副旋翼系统，并保证两副旋翼转速一致；倾转机构采用蜗轮蜗杆配合提供倾转力矩。

1.2 数学模型

分析、计算无人倾转旋翼机非定常运动的基础是系统的数学模型。无人倾转旋翼机在空中作六个自由度运动，即作为质点的三个线运动—升降、前飞与后飞以及左右侧飞运动，以及作为刚体的角运动—俯仰、滚转与偏航运动。为描述无人倾转旋翼机自身运动，需建立机体坐标系及速度坐标系。

无人倾转旋翼机体轴系如图1所示。机体六自由度运动力学方程建立在体轴系上。体轴系原点位于机体重心；轴为纵轴，平行于机体构造基准线；轴为立轴，垂直于向上；为机体纵向对称面；轴为横轴，与轴和轴按右手法则确定方向。

图1 机体坐标系

设无人倾转旋翼机为刚体，分别建立无人倾转旋翼机旋翼、机翼、发动机短舱、机身、平尾、垂尾的坐标系，在各自的坐标系内计算气动力及力矩，最后将各部分的力及力矩通过坐标转换到机体重心。合外力及外力矩为：

∑,∑,∑,∑,∑,∑

即:

(1)

其中，下标表示右旋翼，表示左旋翼，表示机翼(包括副翼)，表示发动机短舱，表示机身，表示平尾(包括升降舵)，表示垂尾(包括方向舵)。

由于无人倾转旋翼机具有直升机和飞机的飞行特点，因此也存在直升机固有的纵、横向运动耦合，而且其飞行状态多样，特别是过渡模态飞行，存在强烈的操纵耦合和动不稳定性。机体各部件的气动迎角变化范围广，很难准确地确定其升力系数和阻力系数。本文在计算建模时结合采用吹风数据和文献[4]提供的方法确定不同迎角时的升阻力系数。

在计算建模时主要考虑了旋翼诱导速度对机翼的干扰作用，分为自由区和扰流区两部分。分别计算机翼的不同区域的气动力。在扰流区，旋翼下洗流与机翼交汇形成“喷泉流效应”以及旋翼尾迹对水平安定面的下洗效应。

2 飞行动力学模型

本文在Simulink的仿真环境中建立无人倾转旋翼机的飞行力学模型，对无人倾转旋翼机进行配平计算，从而确定其操纵方法和飞行包线。该模型共分为三个模块：第一个为操纵输入模块，包括总距、总距差动、横向周期变距、纵向周期变距、纵向周期变距差动、副翼操纵、升降舵操纵、方向舵操纵以及发动机短舱倾角控制；第二个为计算各部件气动力模块，包括旋翼、机翼、机身、平尾、垂尾以及短舱，将计算的力及力矩进行矢量合成；第三个为状态输出模块，分别为体轴系的三轴方向线速度,,，角速度,,，姿态角,,。该模型充分利用Simulink环境下的基本模块和Matlab Function搭建而成，利用小扰动线性化理论，通过Matlab函数对建立的非线性模型线性化，同时对模型进行配平计算，确定系统平衡工作点时的操纵量和姿态角。

3 配平计算及仿真

根据已经建立的模型，针对不同的飞行目的，改变相应操纵输入进行配平计算。共分三个阶段对无人倾转旋翼机的直升机模式、过渡飞行模式以及飞机模式进行仿真配平。

3.1 直升机模式配平

在直升机模式下，间隔设定前飞速度1～20 m/s，前飞速度和俯仰角之间的仿真结果如图2所示。从仿真结果可以得出，无人倾转旋翼机同样具有直升机的飞行特点，机身的俯仰角随着前飞速度的增加而逐渐减小，即机身的低头姿态增加。其主要原因是随着飞行速度的增加，机身的废阻与速度的平方成比例，因此平飞时需要旋翼更多地前倾产生更大的前向力，以维持合力的平衡。