试析无人机气动弹性与控制

摘  要：气动弹性是航天领域的一个重要概念，早在上世纪初期飞机诞生时，人们就发现了机翼的气动弹性问题。如果不能有效控制气动弹性，将可能导致机翼折断等严重后果。对于无人控制的飞行器来说，控制气动弹性的难度更大。基于此，本文就针对无人机的气动弹性问题展开研究，在阐述其分类和特征的基础上，针对气动弹性的控制展开探讨，希望能为相关人士提供些许参考。

关键词：无人机;气动弹性;飞行事故

中图分类号：V211.47;V279      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0158-03

Abstract：Aerodynamic elasticity is an important concept in the field of aerospace. As early as the birth of aircraft in the early 20th century，the aeroelastic problem of wings was discovered. If the aerodynamic elasticity is not effectively controlled，it may lead to serious consequences such as wing breakage. For unmanned aerial vehicles，it is more difficult to control aeroelasticity. Based on this，this paper studies the aeroelasticity of UAV. On the basis of describing its classification and characteristics，the control of aeroelasticity is discussed，hoping to provide some reference for the relevant people.

Keywords：UAV;aerodynamic elasticity;flight accidents

0  引  言

气动弹性是飞行器在航行过程中，受空气动力以及机身弹性结构等的相互作用，出现的弹性形变，会对飞行器的稳定及操控产生明显影响[1]。如果不能有效控制气动弹性，将会导致机翼折断等严重飞行事故，因此气动弹性问题是包括无人机在内的各类飞行器设计时应着重考虑的一项关键点。

1  无人机气动弹性及其参与的主要力学元素

无人机因其体积小、制造成本低、生存力强、对作战场地环境要求不高等原因，近年来得到快速发展[2]。但越是性能高、结构复杂的无人机，其气动弹性问题也越加突出。所谓气动弹性，主要就是指飞行器在飞行过程中，由于空气动力和自身的弹性结构相互作用，产生的弹性形变。气动弹性的生成与进展主要有四种力元素参与其中、相互影响。分别为气动力、弹性力、惯性力及阻尼力，其中最为主要的就是气动力和弹性力。弹性形变可导致飞行器机翼颤振甚至折断，干扰作业。因此在不断加强无人机性能、结构的同时，必须要考虑气动弹性问题并加以控制，从而得出性能过硬、安全稳定的高质量无人机设备。总之，对于气动弹性问题，需要考虑飞行器的结构、空气动力，还要考虑阻尼力和飞行器的材料性能等多方面因素，是一项难度较大的复杂性问题。

2  无人机气动弹性的分类及其特征

2.1  无人机静气动弹性

静气动弹性主要考虑无人机本身弹性结构所带来的受力分布情况。当无人机的飞行速度较慢，那么无人机因空气动力带来的弹性形变也较小，反之，如果飞行的速度越快，那么无人机所受到的弹性形变也就会越大，在较长时间高速状态下，就可能导致机翼振动或操作面板无法正常工作的情况[3]。可见，无人机静气动弹性主要是因弹性形变所导致的受力载荷失衡，以及两着相互促进，从而引起造成无法稳定运行的弹性形变。无人机靜气动带来的弹性形变进展较为缓慢的，所以此种气动弹性往往不用考虑变形速度以及加速度产生的气动力，在进行无人机设计时也无需单独计算这方面的问题，研究起来也要比动气动相对简单得多，这也正是静气动弹性的典型特征。

2.2  无人机动气动弹性

动气动弹性是因弹性力学以及空气动力相互耦合所产生的一种非定常过程，这种现象可细分为颤振和气动响应等几个形式。

颤振会对无人机飞行的稳定性造成影响，当颤振达到一定程度，或到达临界状态，可引起自激振动，可在很短的时间内造成机翼破坏或尾翼破坏，引起严重飞行事故[4]。颤振形态不一，可能为无人机整架参与，也可能只是某个部位参与。颤振的物理关系十分复杂，就空气动力方面来看，主要有两种特征：

（1）发生在势流之中，而边界层效应以及流动分离不参与颤振过程，这种颤振多见于流线型剖面结构的无人机。此种颤振对于无人机的机翼会产生阻尼作用，通常颤振中会再出现较大的弹性自由度。

（2）和流动分离以及漩涡形成存在关系的颤振，即“失速颤振”。

气动响应也是由空气动力、弹性动力为主导的一种力学问题，是因无人机的弹性结构受到来自外界干扰的动力，并随时间变化产生的强迫性振动。外界干扰如漩涡、大气紊流、突风等。动力响应是一种常见的气动弹性，对无人机设计，特别是结构疲劳方面的设计，具有重要影响。

除上述气动弹性的情况外，还有抖振也是当前气动弹性研究领域的一项内容。在紊流中，无人机或者无人机中某个部件可发生不规则性的抖振，其中以尾翼抖振最为常见[5]。此外，无人机目前已经迈入了超音速时代，超音速无人机的机翼位置的激波以及压力脉冲，也能够引起抖振，此种抖振也被称作抖振-颤振，或者是自激抖振。

3  无人机气动弹性的控制

针对气动弹性的控制，需要结合结构动力、飞行器控制以及空气动力学等学科知识，和单纯的飞行器控制相比，气动弹性的控制更为复杂、难度更高，且无人机在飞行过程中遇到的动力影响，会隨着飞行条件的变化而变化，更增加了控制的复杂性。首先需要对气动弹性进行计算，这是实现气动弹性控制的基础。

3.1  气动弹性的计算

气动弹性受到的影响因素较多，且为连续结构，相关因素还具有不确定性，因此气动弹性的计算大多采用近似解的形式，只在一些特殊情况，如在二维流动中可得出气动弹性精确解[6]。

在计算气动弹性的近似解时主要分两步，首先为离散化处理，就是把具有一定数量自由度的等价结构，来替换无限多个自由度的气动弹性连续结构，从而将连续结构转换成方程组，对于静气动弹性，会得出代数方程形式的方程组。对于动气动弹性，会得出微分方程（时间作为变量）。第二个步骤就是将上一步得出的方程进行求解。

对于连续结构的气动弹性问题进行离散化处理，就是把解的展开式通过函数有限级数进行表述，通过这种方式把气动弹性的本质表述出来。离散化实质上就是把表达振动过程的偏微分转换为联立的常微分方程，实质上将特征值问题从微分方程转变为代数的形式。特征值主要通过级数来展开，有两种离散化的方法，分别为加权余数法以及瑞利-里兹法。其中的瑞利-里兹法源自变分原理，适宜处理自伴问题。而加权余数法则有更为广泛的适用范围，也无需借助变分原理，无论是自伴问题还是非自伴问题都可以适用，因此建议采用加权余数法。Galerkin法就是目前常用的加权余数法，普遍适用于一般形式的气动弹性问题，包括静气动弹性和动气动弹性，此种方法主要步骤如下：

3.2  主动颤振控制

求出气动弹性近似解后，以此为导向估计飞行状态，并进行控制。主动颤振控制是目前常用的控制手段，此种方法的实质就是通过求解得出的特征值来实现系统各极点的配置，从而使不稳定状态得到主动控制，达到稳定状态[7]。比如目前比较常见的SISO极点配置、动柔度配置等都是按照这种原理实现主动控制。在设计时，需要先根据此种原理设置控制律输入进无人机闭环控制系统，之后系统根据预先设定的控制律，在飞行过程中通过操控机翼控制面偏转等方式，实现平衡，达到主动颤振控制的效果。

3.3  LQG控制

LQG全称为线性二次高斯控制，此种模式考虑到飞行过程中的不确定因素，以及噪声的影响，并结合卡尔曼滤波综合而来的控制方法。通过卡尔曼滤波器对无人机飞行系统当前的飞行状态参数进行评估，将所得参数通过LQG系统实现反馈调节。LQG通常由两部分构成，其一为最优状态反馈，其二为扰动输入估计。此种方式有效考虑了飞行过程中的干扰条件，从而达到最佳的平衡状态。

4  结  论

综上，气动弹性会对无人机的飞行状态，包括稳定性、抗干扰性等带来的直接影响。当前无人机已经进入超音速时代，气动弹性问题更加复杂。可见在无人机设计工作中，气弹问题的分析十分重要，因此在设计无人机时必须充分考虑气动弹性方面的问题，并借助现代信息技术、控制系统等对气动弹性进行主动控制，从而保障飞行安全，提升无人机质量。

参考文献：

[1] 许军.飞翼无人机颤振抑制仿真研究 [J].工程与试验，2018，58（3）：69-72.

[2] 李晨飞，姜鲁华.临近空间长航时太阳能无人机气动研究综述 [J].世界科技研究与发展，2018，40（4）：386-398.

[3] 段卓毅，王伟，耿建中，等.高空长航时太阳能无人机高效气动力设计新挑战 [J].空气动力学学报，2017，35（2）：156-171.

[4] 冯引安，祝小平，周洲.弹性飞翼无人机鲁棒姿态控制设计 [J].飞行力学，2017，35（3）：60-63+67.

[5] 张强，祝小平，周洲，等.高空长航时飞翼布局无人机静气动弹性研究 [J].飞行力学，2016，34（1）：40-45.

[6] 王伟，周洲，祝小平，等.几何大变形太阳能无人机非线性气动弹性稳定性研究 [J].西北工业大学学报，2015，33（1）：1-8.

[7] 范锐军，冯朝辉，周洲.大展弦比无人机的静气弹问题计算及分析 [J].力学季刊，2009，30（4）：548-554.

作者简介：王正任（1990-），男，汉族，吉林人，毕业于英国南安普顿大学，工程师，硕士，研究方向：无人机气动设计。