高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制.pdf

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1、航空学报Dec，252016V01．37No．S1$80．$90ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／V========—==================≈===============http：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制苏二龙1’2，罗建军1’*，闵昌万21．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，西安7100722．中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京100076摘要：针对滑翔式高超声

2、速飞行器大攻角纵向失稳问题，基于连续算法和分岔理论，求解并分析了多特征点单参数分岔图，对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析。结合高超声速飞行器大包线飞行特性，求解并分析了双参数分岔，并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面，从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性。为了实现高超声速飞行器的稳定控制，基于非线性动态逆和分阶思想，设计了非线性控制器，并计算了非线性开环闭环系统的全局特征根分布，结合所提出的一种基于连续算法的非线性闭环系统全局性能评估方法，评估并分析得出非线性控制器的有效性和较优的全局性能。最后，对闭环系统进行了时间历程仿真，进一步验证了非线性控制器的有

3、效性。关键词：高超声速飞行器；纵向大攻角飞行；分岔突变；非线性失稳；非线性控制中图分类号：V211文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一$80—11高超声速飞行器新型气动布局以及复杂的空气动力学特性，使得当飞行器进行复杂的高机动指令性任务时，经历复杂流动环境并有可能诱发未知的超预期指令或非指令的非可控行为，从而危及飞行安全、降低飞行品质并损害任务行为的准确性[11；为了增加高超声飞行器的滑翔距离，提高飞行器的机动能力，可能导致飞行器的稳定裕度很低或不稳定。同时，在大攻角下机动飞行，其空气动力学特性极其复杂，主要问题有：前缘涡、非对称漩涡、涡破裂

4、以及非定常分离等复杂流动对机身和机翼的干扰；头部激波、机翼激波、尾部激波、操纵面激波之间干扰严重影响高超声速飞行器的气动控制特性；背风面气流遮挡和分离会使升降副翼上偏时操纵效率降低；激波诱导分离产生纵向低头力矩，机翼背风面流场不对称分离引起高空快速滚转，在小转动惯量小阻尼情况下，此现象更明显[z]。高超声速飞行器的攻角、马赫数和高度范围非常大，以及极强的非线性空气动力学影响，使得飞行器在大攻角下的运动极其复杂，基于小扰动假设的线性化分析方法已经无法全面揭示其运动规律。文献[3]首次将连续算法和分岔理论应用到非线性飞行力学的分析中，成功揭示了大攻角飞行下的飞机失速现象

5、；文献[43将分岔理论与控制算法相结合，实现了基于分岔理论的控制算法设计；文献E5]采用扩展的分岔理论(EBA)分析了在约束下的飞行器的非线性稳定性，首次实现了机动约束下的稳定性分析；文献[6]首次将连续算法和分岔理论应用到飞行器的总体设计中，改善了飞行器的飞行性能，从总体设计的角度基于连续算法和分岔理论提升飞行器的总体性能；以上文献都是基于非高超声速飞行器对该方法的尝收稿日期：2016—05—10；退修日期：2016—05—13；录用日期：2016—05—27；网络出版时间：2016—07—1216：50网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detai

6、l／11．1929．V．20160712．1650．004．html*通讯作者．Tel．：029—88493350E—mail：jiluo@nwpu．edu．cn季

7、用格武I苏二龙．罗建军．闽s万．等?高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析s控朝[Jj．航空学报，2016，37(SI)：SSO-$90．SUEL，LUOJJ，M／NCW，eta／．Analysisandcontrolofnonlinearlossofstabilityforlongitudinalflightdynamicsofhypersonicvehiclewithhighangleofattac

8、ktJ-．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(SD：$80-sgo．苏二龙，等：高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制S81：==============================================一试，重点解决的是具有强非线性的高机动飞机失稳控制问题，验证了连续算法和分岔理论对研究具有强非线性系统问题的有效性，将该方法引入到具有极强非线性的高超声速飞行器动力学模型研究中应有较好的适用性。然而对动力学模型具有极强非线性的高超声速飞行器，现有的文献中依然是采用近似线性化理论来研究飞行器的