脉冲信号对飞行器滚转运动的影响

中国人民解放军92419部队 李念国 赵 慧

脉冲信号对飞行器滚转运动的影响

中国人民解放军92419部队 李念国 赵 慧

飞翼飞行器翼身融为一体，这种结构使其具有良好的气动性能的同时，也带来了滚转稳定性差、易受干扰的特点。本文以飞翼飞行器为研究对象，推导了脉冲信号公式以及飞行器保持平衡所要满足的物理条件，并分析对比了脉冲信号对飞翼飞行器和一般飞行器俯仰角 、滚转角 和偏航角 的输出响应，结构显示飞翼飞行器具有进一步增稳的必要性，进而设计了输出量反馈闭环增稳系统，对飞翼飞行器受扰动影响大的缺点进行了有效的改善，大大减少了计算量。

脉冲信号；飞行器；滚转运动；影响

1 引言

飞翼飞行器的机翼和机身没有明显的界限，具有比较多的舵面，外形类似于回旋镖[1]，是一种外形看起来像是没有尾巴的融合体。基于这种机翼，使该结构飞行器的重量得以大大减轻，飞行阻力也得以减小，进而增强了其机动性能。但受其结构影响，飞翼飞行器抗风能力不足，为操作带来了难度。国外很早就开始了对该结构飞行器的研究[2-3]，典型的飞翼飞行器有美国的B2隐形战略轰炸机和X47无人作战飞机，如图1、2所示。

图1 B2隐形战略轰炸机

图2 X47无人作战飞机

2 脉冲信号

飞行器的运动主要包括俯仰、滚装和偏航三种状态。对于一般的飞行器来说，滚转状态对应的是特征方程里的负根，意味着飞行器受到外力后，能够产生比较大的阻尼力矩，来恢复到原先的状态[4]。在副翼的操控下，脉冲信号可表示为式（2.1）。

其中a、b、c、d、e、f、g、h均为常数。通过对上式解的分析可知，特征跟都是实数，物理现象表现为飞行器受到风影响时，会发生短时间的滚转运动，但是若不及时控制，飞行器将发生剧烈的旋转，然后坠落。飞行器只有满足式（2.2），才能平衡。

3 脉冲响应

对于副翼来说，建立飞翼飞行器受到小扰动时的物理模型，状态方程可以表示为式（3.1）。

4 增稳设计

实际上，飞行器在飞行过程中，很难得到全部的反馈信息，不能将其作为飞控的判断依据。我们以系统的输出量作为反馈依据，来设计控制方案。

通过闭环设计，能发现飞翼飞行器的稳定性得到了改善。但是过程较繁冗，应当对其进行适当简化，便于操作。通过控制 ，达到对目标的控制，在这个过程中，方向舵也参与反馈，形成对偏航角的闭合反馈，进而消除偏航角，实现系统的进一步稳定。为加快这一过程的反馈，还需对 进行计算。这时，式（2.1）所有的解都在左半轴，物理表现为在引入反馈后，飞行器得到了更好的稳定性。施加脉冲信号后，的脉冲响应均接近于0，并能在极短的时间内恢复到稳定状态，所以该反馈闭环设计发挥了增稳作用，并且系统的计算量减少了很多。

5 结论

飞翼飞行器独特的气动外形，使其具有良好的气动性能的同时，也带来了滚转稳定性差、易受干扰的特点。本文推导了飞翼飞行器的脉冲信号公式以及飞行器保持平衡所要满足的物理条件，并分析对比了脉冲信号对飞翼飞行器和一般飞行器俯仰角 、滚转角 和偏航角 的输出响应。基于增稳设计的必要性，设计了输出量反馈闭环增稳系统，改善了飞翼飞行器受扰动影响大的缺点。

[1](美)史蒂夫·佩斯.B-2“幽灵”－威力超强的隐身轰炸机(熊峻江等译)[M].北京:国防工业出版社,2003:1-12.

[2]Weisshaar Terrence A,Livne E,Aeroelasticity of Nonconventional Airplane Configurations-Past and Future, Journal of Aircraft,2003,40(6):1047~1065.

[3]Jeremy Agte,Mark Hadley and Eric Knauf,Student Evolution of an Unconventional Flying Wing Configuration,AIAA and SAE,World Aviation Congress,Anaheim,AIAA,1997:1~8.

[4]嵇鼎毅.飞翼布局无人机抗侧风自动着陆控制技术研究[D].南京航空航天大学,2007.

李念国，男，中国人民解放军92419部队助理工程师，研究方向：飞行器设计。