免费论文：高超声速飞行器多耦合非线性动力学与控制研究

以超燃冲压发动机为动力的乘波体构型高超声速飞行器，具有发展成未来低成本可重复使用天地往返运输工具和全球快速打击武器的潜力，是目前近空间飞行技术研究的主要方向。由于机体/推进一体化设计，以及轻质材料的大量使用，与常规飞行器相比，高超声速飞行器存在严重的气动/推进/结构弹性/刚体动力学耦合。这种耦合对动力学稳定性的影响会因高超声速飞行器复杂的飞行环境、大跨度的飞行包线、以及控制输入可调范围受限等因素而变得复杂，给飞行器总体设计和控制系统设计提出了新的挑战。

本文结合国内外相关研究的最新进展，通过对典型的吸气式乘波体构型高超声速飞行器动力学系统的研究，探索高超声速飞行器多耦合非线性动力学建模方法、耦合机理与失稳模式、以及控制系统设计方法。结合动力学系统分析与控制研究的主要问题，本文工作主要包括以下四个方面：

1.  高超声速飞行器多耦合动力学建模方法

面向概念设计和控制设计，根据拉格朗日方程，建立了考虑气动/结构弹性/推进耦合的吸气式高超声速飞行器非线性动力学模型。分别给出了均匀截面特性和非均匀截面特性的机身弹性建模方法，使用时可以根据布局情况和精度要求进行选择。对于机身弹性振动以及刚体运动产生的气动力，给出了几种常用的高超声速定常气动分析方法、非定常修正方法、以及气流黏性修正方法。对比结果表明，气流黏性主要影响飞行器阻力，对飞行器稳定性影响不大；使用激波膨胀波方法计算定常气动力，并采用当地流活塞理论作非定常修正，可以给出较为合理的气动模型。

2.飞行动力学分析方法与高超声速飞行器基本动力学特性

针对高超声速飞行器飞行动力学分析问题，介绍了静态配平、飞行包线、动态特性等的分析方法。在此基础上分析了典型高超声速飞行器的基本飞行动力学特性，着重分析了短周期静不稳定和高度控制非最小相位行为产生的原因以及对控制造成的不利影响。最后，针对高超声速飞行器多耦合动力学中机身结构弹性这一关键因素，研究了机身结构刚度和机身截面特性对飞行动力学静、动态特性的影响。算例结果表明，机身刚度降低和截面非均匀度增加均会增强机身弹性对高超声速飞行器飞行动力学的影响，包括增加弹性变形、降低升阻比、增加升降舵配平偏转角、降低短周期模态稳定性等。

3. 高超声速飞行器耦合动力学失稳机理与结构刚度设计

分别针对常规布局和鸭式布局高超声速飞行器，考虑翼面弹性和翼轴弹性，研究了多耦合动力学的失稳模式和失稳机理，给出了飞行器部件结构刚度的设计可行域。分析结果表明，高超声速飞行器除了机翼会发生常规飞行器上的扭转发散和弯扭颤振外，还会出现机翼/机身颤振、机体自由度颤振等新的动力学失稳模式。为补偿非最小相位行为而增加的鸭翼，不仅对动力学稳定性有较大的影响，还引入了更复杂的动力学失稳形式。与常规布局相比，鸭式布局高超声速飞行器更容易发生气动弹性静发散、气动弹性颤振、机体自由度颤振等动力学系统失稳现象。

4. 高超声速飞行器飞行动力学控制系统设计

针对高超声速飞行器的飞行动力学控制问题，提出了根据不同任务需求和任务剖面选择控制律设计方法的研究思路。对于飞行环境变化缓慢的民用运输高超声速飞行器，进行了线性最优控制器设计研究。结果表明，采用遗传算法优化Q、R矩阵，不仅能够实现优化设计过程自动化，还能得到综合性能较优的控制器。对于机动性要求高的军用高超声速飞行器，则进行了基于反馈线性化的非线性控制器设计研究，并分析了鸭式布局高超声速飞行器冗余控制输入的处理方法。仿真结果表明，鸭翼单独控制内部动力学的反馈线性化控制器，能够在实现对指令信号良好跟踪性能的同时抑制迎角动态。

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