弹性飞行器飞行仿真研究

【摘 要】现代飞行器的设计日益追求高速度、超机动性和敏捷性，使得现代飞行器越来越呈现出高速度、轻结构、大柔性和低阻尼的特点。对于导弹或者火箭来说，它们的射程和载重量任务要求它们具有大质量，且长细比越来越大，因此弹性低阶频率也越来越低，弹性变形和弹性振动对导弹弹道仿真的影响不能再忽略。本文发展了一种将飞行力学与气动弹性力学相结合的飞行仿真工具，建立了刚性导弹和弹性导弹的全弹道打靶仿真模型，在Matlab/Simulink平台下搭建各模块，用于研究弹性导弹全弹道仿真过程中的运动参数响应。

【关键词】弹性变形；弹道仿真；Matlab/Simulink；运动参数响应

0 引言

现代飞行器的设计日益追求高速度、超机动性和敏捷性，使得现代飞行器越来越呈现出高速度、轻结构、大柔性和低阻尼的特点[1]。对于细长体的导弹来说，其弹性低阶频率也越来越低，弹性自由度与刚体自由度之间的耦合效应就不能忽略了。

本文搭建了导弹-目标相对运动模块、导引头模块、制导律模块、弹性飞行器运动模块[2]、大气参数模块以及控制律模块。采用比例导引法制导律，在Matlab/Simulink仿真环境下进行全弹道打击目标仿真，设计编写导弹全弹道仿真过程的程序。与刚性导弹全弹道打靶仿真进行对比，由此讨论结构弹性对飞行性能的影响。

1 全弹道仿真模块搭建

在Matlab/Simulink平台下搭建各模块，导引律采用经典的比例导引法，目标运动假设为定直平飞。图1为导弹制导/运动学回路，清晰地说明全弹道仿真流程。

（1）比例导引法

（3）目标运动模型

目标在铅垂平面内做定直平飞运动，飞行速度为VT=150m/s，在t=0的时刻从（3000m，2000m）的位置开始向-x方向运动。

（4）导弹控制律

控制律框图如图2所示。

2 仿真及仿真结果

全弹道仿真在Matlab/Simulink环境[4-5]下进行，Simulink仿真框图如图3所示，本文中将控制系统、舵机和弹体运动方程封装在了一个模块里。仿真时，当导弹与目标之间的接近速度Vc<0时，认为导弹与目标遭遇，仿真结束。

刚性导弹与弹性导弹的仿真对比结果如图4所示。

从刚性导弹与弹性导弹全弹道仿真的参数对比图上可以看出二者的飞行轨迹、攻角、俯仰角这些响应曲线差别并不大，而舵偏角曲线呈现出明显的不同。在整个弹道仿真过程中，弹性导弹的舵偏角变化最大达到-14°，是刚性导弹的两倍。这与实际工程型号打靶时情况相符。

【参考文献】

[1]Chen P.C.， Dario H.B.， Zeng J.. Dynamic Flight Simulation （DFS）Tool for Nonlinear Flight Dynamic Simulation Including Aeroelastic Effects[C]//AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit. Honolulu， Hawaii， 2008： 1-16.

[2]姚爽，吴志刚，杨超.弹性导弹飞行动力学建模及弹道仿真[C]//第十三届全国空气弹性学术交流会会议论文集.2012：323-330.

[3]钱杏芳，林瑞雄，赵亚男.导弹飞行力学[M].1版.第6次印刷.北京：北京理工大学出版社，2012：30：40-42，171-172.

[4]杨艳明，唐胜景.基于Simulink的子导弹全弹道仿真[J].系统仿真学报，2006， 18（6）：

[5]欧君瑜，李刚，高忠长.基于Matlab的防空导弹三维弹道仿真[J].火力与指挥控制，2010，35（2）：166-168.

[责任编辑：杨玉洁]