空中加油管后端受力优化及抗扰动对接

发布时间：2020-09-24 12:40

　　 一直以来,空中作战能力是军事强国的军事力量体现,作战机的性能成为衡量空中作战能力的关键所在。在这种情况下,工程师们尝试通过空中加油技术来延长作战机的飞行时间和飞行距离,因此空中加油技术受到了世界上军事强国的研究者们的重视,他们设计出了各种空中加油系统来提高加油的效率。软管式空中加油以其成本低,方式简单的特点在空中加油研究领域中占有一席之地。在软管式空中加油系统的研究中,对接过程又是极为重要的一环,其中对接控制力和对接安全性是评价其性能优劣的两大重要指标。本文以此为出发点,主要对软式空中加油软管-锥套的特性及加油机与受油机对接控制进入了深入研究。在软管-锥套的特性方面重点分析了软管-锥套在对接过程中的受力情况和锥套的气动特性,首先采用悬链线法和量纲分析法相结合的方法建立了加油机空速与锥套的气动阻力之间的数学模型,然后通过分析锥套的气动特性确定了适合高速和低速加油的最优稳定伞型;在对接控制方面主要通过锥套轨迹确定和受油机跟踪控制两方面内容来完成。首先在充分学习了国内外关于软管-锥套运动特性研究的基础上,结合试飞数据,详细地分析了软管锥套在对接阶段的受力情况以及影响因素。采用悬链线法和量纲分析相结合的方法,提出一种新的阻力预估公式,并将其计算结果与试验数据进行对比,以此验证该方法的可靠性。其次研究了伞撑角和伞撑数量对锥套稳定伞阻力系数的影响,确定了高速和低速加油的最优稳定伞外形。先利用SOLIDWORKS建立不同伞撑角和伞撑数量的六种三维模型,进而利用Fluent进行数值仿真得出伞撑角和伞撑数量与稳定伞阻力系数的关系,最后确定高速和低速加油的最优稳定伞外形。最后建立软管锥套的多体动力学模型,得出软管锥套的外放特性及锥套的运动轨迹,并通过制导律和控制律的设计完成了加油机与受油机的综合对接系统。首先,利用动力学和运动学分析建立软管锥套的多体模型,并加入大气紊流的影响,在MATLAB/SIMULINK仿真平台上进行仿真模拟了软管锥套在外放状态下的运动轨迹;其次,利用锥套和受油机之间相对位置设计了参考航迹;最后,在LQR控制的基础设计了LQR-PID轨迹跟踪控制器,并对包括受油机小扰动线性动力学模型、加油锥套运动轨迹、大气紊流干扰、制导模块、控制模块在内的对接控制系统完成受油机与加油机之间的对接过程仿真。仿真结果表明,该对接控制系统能控制受油机快速准确地与加油机对接,提高软式空中加油的对接效率,具有一定的工程应用价值。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V249.1;V271.494
【部分图文】：

图 1.1 软管式（左）和硬管式（右）空中加油值得一提的是无论是软管式空中加油还是硬管式空中加油都有助于作战机的作性能得到明显提升，如增加作战机的航程，延长作战机的航时，提高作战机的有效弹能力以及提升作战机的机动力[5]。由此可见，空中加油相关研究已成为现代空中战的关键所在。二十一世纪后，无人机（UAV）以其独特作战优势大量被应用到空中作战系统中，目标定位，摧毁战略目标，军事侦察等。自主空中加油（AAR）[7]很快成为空中作的热点，考虑到软管式空中加油的性能，软管式空中加油和无人机有着很高的契合。美国在无人机自主空中加油技术的研究起步较早，在 2005 年颁布了《无人机发线路图》，计划在 20 年内实现无人机的自主空中加油[11]；到 2007 年，美国在此两年内进行了试飞试验验证了锥套特性，以及模拟了不同大气干扰下软管式自主空中油技术。2012 年，美国采用两架全球鹰无人机在地面监控的辅助下完成了自主空加油，这标志着美国已经成功完成了无人自主空中加油的验证工作[16][20]。其中，自主式空中加油主要难题在于在加油过程中，软管-锥套系统很容易受到

机与加油机的速度差及高度差都有严格的规定，这就要求受油须非常熟练、准确。一般情况下，加油机的加油设备都装备有是在受油机飞行给予指示以便顺利完成与加油机的对接。加油减速，当加油机与受油机之间达到一定的速度差时，在张力油管就会自动脱离，加油机也会中断燃油的输送，然后受油机离，直到一定的安全距离后再向另一侧翻转脱离编队，而加油斗机进行加油或者完成加油任务回收加油软管。式加油系统在实际应用中一直在改进，因此其安全性和可靠优点是体积小，结构简单，便于拆装。一架大型的加油机可以时为多架战斗机加油，能够实现“伙伴加油”，如图 1.2 所示，，无须专门配备加油操作员，对于全无人机的自主式空中加油柔性的软管可以避免加油机与受油机之间由于相对运动造成缺点也十分明显大气乱流会造成软管的飘摆运动，增加对接的技术要求更高；其次是输油速度慢，大约是每分钟 1500 升左

图 2.1 等效软管弯曲恢复力可知，软管恢复力的大小可以表示为：28EIRl 惯性矩（m4）；的弹性模量（psi）。 4 464OD IDI d d 的夹角 可以表示为

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本文编号：2825734