三轴承推力矢量喷管运动学建模及试验

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252014V01．35No．4911-920ISSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeducahkxb@buaaedu．cn三轴承推力矢量喷管运动学建模及试验王向阳1，朱纪洪2一，刘凯2，郑意31．清华大学航天航空学院，北京1000842．清华大学计算科学与技术系，北京1000843．兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070摘要：三轴承推力矢量(3BSD)喷管是实现大角度偏转的推力矢量主要形式，主要

2、应用于垂直／短距起降(V／STOL)飞机。喷管由3段组成，相邻两段通过轴承连接，喷管与发动机出口也通过轴承连接，因此形成了3对转动副，通过3对转动副的转动喷管可以实现偏转到特定的角度及方向。三轴承推力矢量喷管运动学模型是其控制器设计及应用的前提，通过喷管固联坐标系逐级坐标转换的方法得到喷管运动学模型。通过几何关系分析说明了三轴承推力矢量喷管的基本原理，对推力矢量偏转大d,／方向与三级喷管转角之间的非线性关系进行了分析，在3条基本假设的基础上提出了喷管逆运动学控制规律，并利用一个缩比喷管进行了试验验证。试验结果表明，所建立模型可以反

3、映喷管运动学特性，逆运动学控制规律可应用于喷管开环控制。关键词：三轴承推力矢量喷管；垂直／短距起降；运动学模型；逆运动学控制规律；缩比模型试验中图分类号：V212．5文献标识码：A文章编号：]000—6893(2014)04—0911-lO大偏角推力矢量技术是目前垂直／短距起降(Verticaland／orShortTake—OffandLanding，V／STOL)飞机的必备技术。推力矢量型垂直／短距起降飞机为实现垂直或短距起降不仅具有常规的气动舵面，而且采用大角度推力矢量加上多种形式的辅助升力装置(如升力风扇、升力喷管以及引射

4、器等)来提供垂直或短距起降时的直接升力，在悬停和低速飞行时依靠反作用力系统控制飞机姿态[1]。一般战斗机的推力矢量喷管主要应用于增强机动能力的辅助操纵，偏转角度较小，一般在±1o范围内，而垂直／短距起降飞机需要推力矢量具有偏转超过90。的能力。三轴承推力矢量(3-BearingSwivelDuct，3BSD)喷管由3段可以相互旋转的喷管组成，通过旋转实现整体大角度偏转的目的，具有偏转范围大(纵向偏转大于90。)、结构紧凑和气动效率高等优点，可满足垂直／短距起降战斗机巡航和起降时的不同推力方向要求，对飞机机体体积影响小、增加的结构重

5、量小，也可以满足现代垂直／短距起降战斗机对超声速飞行和隐身性能的需要。目前三轴承推力矢量喷管是推力矢量型垂直／短距起降飞机最有效的推力矢量形式，已成功应用于苏联雅克141战斗机和美国F一35B战斗机心。3]，但其工作机理、控制方法及动态特性未见公开报道。国内外学者针对垂直／短距起降飞机已开展了喷射气流效应建模研究、动力系统耦合模型研究、控制分配研究和过渡过程飞行控制研究一4。5]，收稿日期：2013-08—20；退修日期：2013-10-15；录用日期：2013．10—26；网络出版时间：2013-11．1809：56网络出版地址

6、：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929V20131118．0956005．htmI基金项目：国家自然科学基金(60974339)*通讯作者．Tel：010—62796706E-mail：jhzhu@tsinghua．educa萼

7、用格武tWangXY，ZhuJH．LiuK．eta1．Kinematicmodelingandtestingof3-bearingswivelductnozzle[J]ActaAeronauticaetAstro．nauticaSinica，2014，35(4)：911-920．

8、王向阳，来纪洪．奇j觊。等．三轴承推力矢量喷菅运动学建模及试验!∞。航空学报，2014，35(4)j9，1-920．912航空学报Apr252014V01．35No．4在动力学仿真和控制方法研究中通常将三轴承推力矢量模型简化为线性模型，忽略喷管本身的静动态特性。文献[6]对一架垂直／短距起降飞机进行了比较详细的建模和仿真，对推力矢量采用了简化的二阶模型。文献[7]～文献[9]研究垂直／短距起降飞机飞行控制方法时将推力矢量简化为一阶模型。文献[10]和文献[11]研究了三轴承推力矢量喷管在飞机悬停状态的气动力特性。但是，这些文献并没

9、有对三轴承推力矢量喷管的转动机理、模型和动态特性进行详细分析，在建模和仿真时采用的模型也比较简单，难以反映推力矢量对控制系统的影响。近年来国内外学者对多种新型推力矢量进行了原理、运动学、动力学及控制方法研究，文献[12]研究新型火箭推力矢量系统时首