复合式高速直升机飞行动力学建模与控制技术研究

发布时间：2020-06-03 07:51

【摘要】：复合式高速直升机因其兼具垂直起降、空中悬停和高速巡航飞行能力,在军事和民用领域有着极大的应用价值,是直升机未来的重要发展方向之一。本文以“共轴刚性旋翼+螺旋桨推进器”构型的复合式高速直升机为研究对象,开展复合式高速直升机飞行动力学建模与飞行控制技术研究,主要工作内容和成果如下:首先,介绍了样例复合式高速直升机的构型特点及操纵方式,结合空气动力学原理和样例复合式高速直升机的气动参数,建立了样例复合式高速直升机全量非线性飞行动力学数学模型。在此基础上,以样例复合式高速直升机的小扰动线性化模型为基础,通过分析运动模态和时域响应特性,研究了其稳定特性和操纵耦合特性。其次,针对样例复合式高速直升机动力学模型存在不确定性的问题以及控制量输入受限的约束,改进了一种基于扩大正不变集理论的单向辅助面滑模姿态控制算法,通过将被控量偏差作为约束条件引入单向辅助面的设计过程,保证了姿态跟踪误差始终处于设计范围内。针对姿态回路快速响应的控制需求,设计了变指数趋近律和终端吸引子,从而在提高被控量收敛速度的同时抑制控制量稳态抖振现象。仿真结果表明,所提出的姿态控制算法能快速跟踪姿态指令,并保证跟踪误差始终满足设计要求,避免了控制量的饱和问题。最后,针对样例复合式高速直升机由低速向高速模式过渡过程中操纵方式与气动特性变化范围大的问题,基于线性变参数控制理论研究了样例复合式高速直升机大包线飞行控制问题。以速度为调参变量将样例复合式高速直升机的动力学系统划分为若干重叠子区域,基于多胞理论和间隙度量理论,分别设计了各子区域的最优控制器,采用重叠区域滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换。仿真结果表明,设计的全包线飞行控制算法能够实现对指令的准确跟踪,保证了各模态控制器切换的稳定性。
【图文】：

直升机,涵道螺旋桨

复合式高速直升机悬停和低速巡航飞行时不发挥作用,但是又增加了直升机的重量。为提高高速飞行时推进器的效率，减小旋翼与推进器间的气动耦合，皮尔凯斯公司提出了涵道螺旋桨式的推力复合式高速直升机，“速度鹰”X-49A（图1.2），，并于2007年首飞。通过将涵道螺旋桨安装在直升机尾部，可以在产生前向推力的同时最大程度上减小与旋翼之间的气动干扰，并且风扇被涵道包围，降低了来自旋翼的气流干扰[16,17]。2015年12月，诺斯洛普格鲁门公司(Northrop Grumman)完成了采用共轴双旋翼布局的Tern项目第二阶段研究工作，作为Tern项目合作者的AVX公司，以OH-58F侦察机为基础研制的共轴双旋翼涵道式直升机，目前处于样机设计阶段。由于涵道螺旋桨安装在直升机尾部

直升机,复合式

图1.2 “速度鹰”X-49A直升机图1.3 X-2复合式高速直升机图 1.4 “侵袭者”S-97 直升机图 1.5 “挑衅者”SB-1 直升机采用螺旋桨推进器的推力复合式高速直升机效率相对较高，国外许多学者对该类复合式高
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V212.4;V249.1

【参考文献】