基于3自由度曲杆虚拟飞行试验装置的模型飞行动力学建模

摘要

虚拟飞行试验技术是用于研究飞行器控制规律的一种风洞试验技术，它以虚拟飞行试验装置为支撑，通过飞行控制系统操纵飞行器模型，使其在风洞来流下自由运动，模拟飞行器真实机动过程。 3自由度曲杆虚拟飞行试验装置是一种用于模拟飞行器绕速度矢滚转机动及失速偏离、尾旋等危险飞行状态的虚拟飞行试验装置。该机构通过两自由度转台和旋转曲杆的组合运动模拟飞行器模型的三轴姿态变化。为验证该装置的可行性、预测模型运动，本文基于该装置开展了飞行器模型的飞行动力学建模。建模过程基于多体动力学理论，采用拉格朗日乘子法推导，考虑了机构与试验模型的约束关系、机构摩擦力矩的影响。仿真结果表明：采用该支撑机构，飞行器模型可在水平风洞中实现绕速度矢量滚转等典型机动动作；曲杆和试验模型的滚转运动基本同步；曲杆主要影响速率响应的动态过程，摩擦力矩对速率的动态过程和稳态值均有一定影响。通过以上数学建模和仿真验证可为风洞试验提供理论依据。

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摘　　要

Abstract

1 绪论

1.1　课题研究背景及意义

1.2　国内外风洞虚拟飞行技术研究发展情况

1.2.1　美国风洞虚拟飞行技术发展情况

1.2.2　英国风洞虚拟飞行技术发展情况

1.2.3　俄罗斯风洞虚拟飞行技术发展情况

1.2.4　国内虚拟飞行试验技术发展情况

1.3　本文的主要研究内容和章节安排

1.3.1　研究内容

1.3.2　章节安排

1.4　本章小结

2　基于装置的模型飞行动力学建模

2.1　3自由度曲杆虚拟飞行试验装置简介

2.1.1　装置设计思路

2.1.2　装置结构

2.2　动力学建模的工作思路

2.3　建模方法

2.3.1　绝对坐标法

2.3.2　绝对坐标法的关键概念

2.4　飞行动力学建模

2.4.1　前提和假设

2.4.2　轴系定义

2.4.3　系统的动力学方程

2.4.4　飞行器模型的气动模型

2.4.5　摩擦力矩

2.4.6　无违约算法

2.5　本章小结

3　仿真程序编写

3.1　飞行动力学仿真程序

3.1.1　程序流程

3.1.2　仿真程序的构成

3.2　无约束3自由度转动仿真程序

3.2.1 无约束3自由度转动方程

3.2.2 无约束3自由度转动仿真程序

3.3 本章小结

4　仿真分析

4.1　仿真条件

4.2　典型操纵信号的结果对比

4.2.1　纵向操纵响应分析

4.2.2　横向操纵响应分析

4.2.3　航向操纵响应分析

4.2.4　大迎角混合操纵响应分析

4.3　不同曲杆惯量的结果对比

4.3.1　曲杆惯量对横向操纵响应的影响

4.3.2　曲杆惯量对航向操纵响应的影响

4.4　不同摩擦力矩的结果对比

4.4.1　摩擦力矩对纵向操纵响应的影响

4.4.2　摩擦力矩对横向操纵响应的影响

4.4.3　摩擦力矩对航向操纵响应的影响

4.5　不同万向铰偏航轴斜置角的结果对比

4.5.1　万向铰偏航轴斜置角对横向操纵响应的影响

4.5.2　万向铰偏航轴斜置角对航向操纵响应的影响

4.6　本章小结

总结与展望

致　　谢

参考文献