翼身融合飞机在风场中的建模与Simulink仿真

王瑜嘉 王永国 鲁鹏

摘要：随着现代战争对飞机的性能和隐身要求的提高，翼身融合布局由于更低的雷达散射面积和更优的飞行性能被广泛应用于飞机设计领域，然而由于特殊的布局也会导致飞机的模态特性和运动响应与常规飞机有所不同，本文对翼身融合飞机在风场中的横航向的动力学模型进行了建立，并利用Simulink对飞机在风场中的时域响应进行了仿真，为该新型布局飞机的总体设计和控制系统的设计提供了参考。

关键词：航空航天;翼身融合;风场模型;Simulink仿真;时域响应

1研究对象

翼身融合飞机是一种典型的非常规气动布局飞机。翼身融合飞机没有常规的桶状机身，而是一种机翼与机身平滑过渡的飞机。翼身融合布局飞机的装载区浸没在了巨大的翼身组合体当中，机翼与机身组合体形成了一个巨大的升力面，有利于提升飞机升力和燃油效率和气动隐身性能。

本文的研究对象为自行设计的翼身融合布局飞机，其平滑的翼身组合体消除了翼身连接处的直角结构，具有更低的雷达散射截面积（RCS），隐身性能好，在现代战争中具有较高的生存力。其为大展弦比短机身构型，从而使得其惯性矩与常规布局飞机有所差别。其主要包含升降舵、副翼、方向舵三种操纵面，分别控制飞机的俯仰操纵、滚转操纵和偏航操纵。

翼身融合飞机相比于常规布局飞机主要有以下特点：

（1）机翼与机身的融合，使得机体结构大大得到简化，结构重量更轻，刚性也更好，飞机整体的重量沿着翼展分布，可以有效降低机翼的弯曲和扭转载荷。简单的机械结构也可以降低生产和维修费用。

（2）翼身融合的布局使得气动载荷分布合理，空气动力效率更高，减小了传统布局飞机的机身与机翼之间产生的诱导阻力和干扰阻力，机翼与机身的融合体可以看是一个巨大的升力面，从而提升了飞机的升阻比[1]。

（3）根据大量的分析研究和计算数据，常规布局飞机的雷达罩、进气道、外挂物、尾翼之间的直角结构都具有较大的雷达散射反射面积较。翼身融合飞机由于平滑的翼身组合体从而可以提升飛机的隐身性能，从而在现代战争中具有较高的生存力。

目前国内外对于翼身融合布局飞机的研究较多，由于翼身融合飞机特殊的构型和气动布局，它的惯性矩分布、气动特性与常规飞机有较大的差异。而且所采用的新型操纵面，由于纵向力臂较短，操纵面尺寸通常较大，气动力和力矩耦合较为明显。

2飞机在风场中的模型建立

飞机在飞行过程中，理想的条件是大气中没有风的存在，而在实际的飞行中可能遇到各种各样的风场。研究飞机的稳定性，不仅要研究在无风状态下的稳定性，还要了解其在飞机的有风条件下的稳定性和抗风能力。为了研究飞机在风场中的运动学响应特性和大展弦比飞机在风场中飞行时自身的稳定性，这样就需要建立飞机在大气风场中动力学模型，并利用Similink对飞机在风场模型下的运动响应进行仿真分析。

2.1常见的风场模型

根据现有的理论以及大量的实验观测数据，大气的运动一般可以分解为平均风和紊流风两个部分。在大气的运动过程中，风速一般围绕着一个平均值进行波动，改值即为平均风，它主要体现的是大气运动的大体趋势。同时风速会在一个相对较小的范围内上下波动，这反映了大气运动的局部脉动现象，称之为紊流。所以通过合理建立相应的时变平均风场模型和时变紊流模型，便能够模拟大部分的大气运动过程[2]。

GJB18586中提供了组成风场部分特性的连续随机紊流模型、离散紊流（或离散突风）模型和风切变模型，可以用来检验飞机在大气扰动中的运动响应以及风场对飞机飞行品质的影响。本文选用的风场模型为常值风模型，是指风速和风向不随时间和地点变化的模型，用一个固定的数值即可表示任一方向的风速大小。

翼身融合飞机在飞行过程中会遇到各种各样的风场。因此在研究了无风条件下的本体特性后，还需了解飞机在有风条件下的稳定性和抗风能力。因此需要建立相应的风场模型，对飞机在风场中的运动进行仿真分析。

大气运动的一般形式可以分为平均风和紊流风。通过合理建立相应的时变平均风场模型和时变紊流风场的模型，便可以模拟飞机在飞行中所受到的大气运动过程。根据飞行品质规范中提供的组成风场特性的连续随机紊流模型、离散紊流模型以及风切变模型，可以检验飞机在大气扰动中的运动响应。本节主要选取的风场模型为常值风模型：风速和风向不随时间和地点变化的模型，用一个固定的数值来表示某一方向的风速大小。

2.2考虑风场影响的飞机的动力学模型

和常规布局飞机一样，利用六自由度非线性动力学模型，可以对翼身融合飞机在任一时刻的运动状态进行仿真分析，用来反映飞机的运动过程。但是通常得不到解析解，只能进行数值求解，无法给出具有普遍意义的一般规律。所以，在研究操稳特性时，通常会结合飞机的特性利用小扰动方法对其非线性动力学模型进行线性化，利用解析法进行研究，从而得到一般性的规律。从而飞机的小扰动运动方程分离为纵向和横航向两组方程。具体推导过程见参考文献[3]。

当研究风场中的飞机的运动特性时，需要建立风场中飞机的动力学模型，根据无风条件下的飞机的六自由度方程，通常研究飞机在无风情况的运动学模型通常采用纵向和横航向两组的小扰动运动方程。

结合飞机的纵向动力学方程和运动学方程，忽略掉操纵面偏转对飞机的影响，得到气流坐标系下定直平飞状态下飞机的横航向小扰动运动方程：

2.3翼身融合飞机模态特性分析

翼身融合飞机的纵向运动具有两个模态，长周期模态和短周期模态;横航向运动具有三种模态，滚转收敛模态、螺旋模态和荷兰滚模态。横航向运功的模态具体的特点和物理成因介绍如下：

（1）滚转收敛模态对应的是横航向小扰动方程中的模值较大的实根，衰减速度快，主要的运动变量为滚转角速度和滚转角。像翼身融合布局这样的大展弦比的飞机一般满足滚转收敛模态的稳定性要求。而小展弦比的飞机在某些飞行状态下滚转阻尼过小，此时需要横向阻尼器来补偿。