高超速飞行器纵向模型建模研究

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1、2010年4．rl沈阳航空工业学院学报Apr．2010第27卷第2期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringV01．27No．2文章编号：1007—1385(2010)02—0008—03高超速飞行器纵向模型建模研究张红梅(沈阳航空T业学院，辽宁沈阳110136)摘要：针对高超音速飞机纵向模型的高度非线性、强耦合、参数不确定等特点，提}I{了基于sim-link的建模方法。并基于所建模块用trim函数得到飞行状态的平衡点。所得结果可用于高超音速飞行

2、器的控制器设计和仿真研究。关键词：高超音速飞机；建模；平衡状态中图分类号：TP27l文献标识码：A近年来，美国的Hyper—X计划，聚焦于一个最伟大的航天研究挑战之一，吸气式高超音速飞行(AHF)。2004年美国NASA的高超音速一x规划(X一43A)两次飞行试验成功(03．27，M=6．83；11．16，M=9．86)。图1是世界上超音速冲压动力的飞机，也是世界最快的喷气动力飞机。它是吸气式高超音速飞机走向实际应用I

3、1极为重要的一步。目前这个高超T程己经引领美图走向“安全、负担得起、飞机型飞船的最后目标”

4、。为了使AHF更可行和有效，一个关键技术就是控制系统设计。非标准的高超音速动态特性使得系统建摸和控制器设计具有很高的挑觇陛。而且，大包线飞行和缺乏飞行动态数据，控制对象参数变化和不确定性是控制器要处理的主要问题。非标准的高超音速动态特性使得系统建模和控制器设计具有很高的挑战性。以国内外公开发表的实验数据为研究对象，对超音速飞行器的纵向运动进行建模，结合MATLAB／simlink仿真工具，得到指定飞行高度和飞行速度下定常飞行时的平衡状态，从而为高级控制系统的设计提供验证平台。1高超音速飞机模型美国宁航局的研究

5、报告⋯给出了高超速飞行器的纵向模型，某常规高超音速飞机在平衡巡航飞行条件下(M=15，V=15，060ft／s，h=110，000ft，7=0deg，q=0deg／s)的运动模型方程为：收稿日期：2009—12—28作者简介：张红梅(1973一)，女，辽宁昌图人，讲师，主要研究方向：飞行器控制，E—mail：zhang．hongmei@163．com。图1X一43A高超音速飞机i，=(Tcosa—D)／m-／xsinT／r2(1)’，2=(L+Tsina)(my)一[(弘一俨，．)cos’，]／(Vr2)(2

6、)h=Vsiny(3)血=q一，(4)也=％／G(5)其中L=扣俨．sc一=扣俨．sc。；r：—}p俨scr；r：^+尺F；M"=圭pv=s云tc肼(8)+c肘(6。)+CM(g)]；C￡=0．6203a；CD=O．6450a2+0．0043378a+0．003772；，『0．02576／3／fp<1Ⅵ一Io．00224+o．00336／3矿肛1’CM(口)=一0．035a2+0．036617(1+AC朋。)。+5．3261×10一：第2期张红梅：高超速飞行器纵向模型建模研究9％(g)=(否／2v)。(-67

7、96a2+Q3015a-Q2289)；C"(6。)=c。(6。一口)；发动机动态特性可以描述为二阶系统模型卢=一2扣，∥一埘≯+加私。(6)其中，参数值为m=9375，，=7×106，S=3603，云=80和P=O．24325×10～。控制输入为发动机节流阀口。和升降舵偏转6。．输}n为15l行速度y和飞行高度h．2Simlink建模高超速飞行器是一个复杂的动力学系统，在飞行过程中质量是时变的，其结构是具有弹性形变的。此外，地球是一个旋转的球体，存在离心加速度和哥氏加速度。因此，作用在高超声速飞行器外部的空气

8、动力与几何形状，飞行状态参数等呈现非常复杂的函数关系，其模型的建立极富挑战性。为了简化问题又不失一般性，在建模时忽略了一些次要冈素，并假设如下：(1)视地球为惯性系统，即将其看作是平面的和静止的；(2)忽略阵风等因素的影响；(3)把作用在高超声速飞行器上的外力综合作用在重心；在matlab／simlink中建模如图2：图2高超音速飞行器纵向模块封装封装下的模块参见图3，其中还包括力矩，速度，航迹角子模块。3高超音速平衡状态的研究飞机的平衡状态是飞机在给定的约束下，满足线速度和角速度分量为定值或为零、加速度为零

9、的特定飞行状态。常见的平衡状态包括定常直飞、定常盘旋等。飞机的平衡状态常用于计算飞机的飞行性能，以及进行稳定性操纵性分析，而且对复杂控制器的设计也有重要意义。本文所研究的平衡状态为定常直飞的情况，图3高超音速飞行器纵向模块在给定高度h=110，000ft和马赫数M=15的情况下，高超音速飞机定常直飞的约束条件为；(1)在状态变鼍中，／3，西，P，q，r恒为0，V，h为给定的常数，d为变量。航迹倾斜角