兩棲UAV動(dòng)力學(xué)建模與仿真

Vol. 36, No. 1火力與指揮控制第36卷第1期Jan, 201Fire Control Command Control2011年1月文章編號:1002-0640(2011)01-0010-04兩棲UAV動(dòng)力學(xué)建模與仿真裴謀,張宇文,袁緒龍,張博(西北工業(yè)大學(xué),西安710072)摘要:兩棲UAV是介于空氣與水之間運動(dòng)的新概念飛行器,由于同時(shí)受到空氣動(dòng)力,水動(dòng)力的作用,動(dòng)力學(xué)特征較巡航飛行器和水面滑行艇均有很大差別?；诳諝鈩?dòng)力學(xué)和二元平面滑行理論建立了兩棲UAV的飛行動(dòng)力學(xué)模型和滑跳動(dòng)力學(xué)模型,同時(shí)給出了仿真算例,并對兩棲UAV的滑跳過(guò)程進(jìn)行了彈道仿真研究。建?？梢詾閮蓷玌AV的方案總體設計,滑水外形優(yōu)化和彈道方案設計提供理論依據和計算方法關(guān)鍵詞:兩棲UAV,水動(dòng)力滑跳彈道,動(dòng)力學(xué)模型,仿真計算中圖分類(lèi)號:TJ760.32文獻標識碼:ADynamic Modeling and Simulation of Trans-media Aircraft SystemPEI Xuan, ZHANG Yu-wen, YUAN Xu-long, ZHANG Bo(Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)Abstract: The trans-media aircraft is the new concept amphibious aircraft moving between gas andwater,which has been affect by aerodynamic force and the hydrodynamic force, and kinetics of it aredifferent from the normal aircraft and planning boat. Based on the aerodynamic and the theory ofplanning, the dynamic model of the slide jump ballistics of the trans-media was developed. The simulationexample had been given, and the process and characteristic of trans-media aircraft slide jump ballistics hadbeen analyzed especially. It gives theoretical foundation and computation method for the conceptual designof trans-media system, planning shape design optimization and ballistics designKey words: trans-media aircraft, hydrodynamic force, slide jump ballistics, dynamic model, simulationcomputation突防,從而達到出其不意的攻擊目的。由于兩棲UAV在飛行過(guò)程中,不斷交替在氣、兩棲UAV是近年來(lái)新提出的一種能夠通過(guò)水液兩相界面運動(dòng),受空氣動(dòng)力,水動(dòng)力的復面待機、水上高速滑行、水面起降、近水面滑跳機動(dòng)合影響,受力狀態(tài)相當復雜,國內外對其的研究較飛行實(shí)現高效突防的一種新概念飛行器。根據概念少[們。本文將針對兩棲UAV滑跳的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),建設計,它融合了水上飛機和巡航導彈各自的優(yōu)勢,具立兩棲UAV滑跳階段的動(dòng)力學(xué)模型,并給出數值有水陸兩棲特性,先以巡航飛行模式實(shí)現遠程防區算法與算例。外發(fā)射,在接近敵方關(guān)鍵防御圈時(shí),改為滑跳機動(dòng)飛行利用海面雜波掩護躲避敵方低空雷達實(shí)現高效1數學(xué)模型中國煤化工收稿日期:2009-11-10修回日期:200912-20CNMHG吃水線(xiàn)為界上半作者簡(jiǎn)介輩『(1983),男,江蘇室興人,博士研究部分為+p萬(wàn)乃加坐底,UAV外形如下生,研究方向:水中兵器發(fā)射理論與技術(shù)。頁(yè)圖1所示;UAV為軸對稱(chēng)剛體,質(zhì)心位于對稱(chēng)軸裝讓,等:兩犧UAv動(dòng)力學(xué)建模與仿真(總第36-0011)·11上;飛行過(guò)程中不計外界干擾力;不計運動(dòng)過(guò)程中舵k為平尾處的動(dòng)壓比;為平尾處下洗隨攻角面響應運動(dòng)的反作用;運動(dòng)過(guò)程中僅考察其縱向運動(dòng)過(guò)程,忽略的偏航和橫滾運動(dòng)海面為靜海面,不的變化率;m,m為力矩系數關(guān)于攻角和舵角的導考慮海況影響;取地面坐標系Ox0y0zo和彈體坐標系數;Cy,m:為彎曲假設下的升力系數與力矩系數關(guān)0xyz如圖2所示。UAV的滑跳運動(dòng)可簡(jiǎn)化為縱向于角速度a的導數;a為UAV攻角,由下式計算平面運動(dòng)。a=-arctan ()其中0為彈道傾角,由下式計算圖1兩棲UAV坐標示意圖(10)1.2流體動(dòng)力分析V為特征速度,取導彈質(zhì)心處相對于流體的速在兩棲UAV飛行過(guò)程中,作用于導彈上的流度:體動(dòng)力與UAV距離海面的高度H有關(guān),當H≥0時(shí),UAV在空中飛行,僅受到氣動(dòng)力的影響。當H同時(shí)還受到水動(dòng)力的作用,在UAV飛行過(guò)程中,充、a分別為導彈的有因次和無(wú)因次俯仰角速<0,則UA地面入水,UAV在受到氣動(dòng)力作用的分考慮地面效應的影響。UAV的作用力分別以位(11)置力和阻尼力表征在坐標系中,各流體動(dòng)力如下,其0為UAV過(guò)程中彈體系下的實(shí)時(shí)俯仰角中下標為B,I,I分別表示機身,前升力面,后升力1.3滑水狀態(tài)動(dòng)力學(xué)分析二元平板理論主要思想是將滑行平板將流體運(1)位置力:動(dòng)等效于薄翼的下半平面流場(chǎng),滑行前緣發(fā)生與運①法向力:動(dòng)方向相反的射流,滑行平板下表面上的壓力分布②軸向x,2叫sCc;a+ca)(1)與薄翼下表面上的壓力分布是一樣的。在不考慮粘性的情況下,二元滑行平Xo=-PSCroV(2)板下表面壓力的合力垂直③俯仰力矩于平板。由于只有壓力Mi-2eSLv-(m a+?on)而無(wú)吸力免,滑行平板的圖2二元滑行面水動(dòng)力升力是薄翼的一半,升力分析(2)阻尼力焦點(diǎn)距離前緣1/4處。①旋轉力:兩棲UAV不同于常規巡航飛行器,最大的特Yu=eSLC(w, H)w, V(4)點(diǎn)是周期性入水。由于水動(dòng)力對UAV的影響,UAV的力學(xué)特征和彈道特征較常規飛行器有極大②旋轉力矩:不同。入水過(guò)程主要是橫向的滑水運動(dòng)和縱向的簡(jiǎn)M=opsL va,m?(5)諧運動(dòng),所受到的滑水力分別為滑水動(dòng)升力和滑水式中:P為運動(dòng)介質(zhì)的密度;v為運動(dòng)體相對于阻力兩部分?；\動(dòng)過(guò)程中,UAV彈身姿態(tài)時(shí)刻變化,故面積為機氮相對于空氣的攻角c,必為理想條其俯中國煤化工體積v沾件下升力系數關(guān)于攻角和舵角的導數濕深度CNMHG圖3中的船體外形點(diǎn)A~G作為船體沾濕條件cs=ca+eg! s+e,ik,s(1-do(6)判定控制點(diǎn)由于彈體的姿態(tài)參數基于地面坐標系12·(總第36-0012)火力與指揮控制2011年第1期故先要將水平面的坐標轉換為彈體坐標系。水平面坐c為摩擦阻力系數;c為誘導阻力系數標在地面系(xy)和彈體系(x,y)下的關(guān)系如下滑水動(dòng)升力和阻力作用點(diǎn)與吃水沾濕比相關(guān),(12)偏離質(zhì)心,故要考慮滑水力偏心力矩:se滑水升力矩切片沾濕狀態(tài)如下所示:Me=Yc(x-Im)yA,切面完全無(wú)沾濕為質(zhì)心到頭部的距離;x滑水動(dòng)升力到頭部yAy,切面全沾濕h為滑水阻力作用點(diǎn)距離質(zhì)心的高度(13)1.4動(dòng)力學(xué)建模Sssy上述建立的流體動(dòng)力模型、作用力模型,它們的確定都依賴(lài)于導彈滑跳過(guò)程中的導彈運動(dòng)參數,如導彈的速度v與v導彈的加速度a、導彈的轉動(dòng)角θ、導彈的質(zhì)心位移x與y等。這就需要建立導彈發(fā)射過(guò)程的運動(dòng)方程組,以求解導彈運動(dòng)參數。取圖3切片沾濕示意圖導彈的質(zhì)心為坐標系oxy原點(diǎn)在坐標系(參見(jiàn)圖)lss~lss和Ss1~Ss分別為切面的沾濕控制中建立導彈平面運動(dòng)方程組:面和沾濕控制線(xiàn)。當沾濕控制面全部沾濕,取該面面a2]=-K;v2-△Gsin-Xc積邊長(cháng)作為沾濕長(cháng)度和沾濕面積,沾濕控制面部分(23)沾濕條件下,取該面到水線(xiàn)的位置為沾濕長(cháng)度和沾Uy +mx.+,,=(Kya+K,0n)v2+Kw,U濕面積。圖3中粗線(xiàn)部分為切片沾濕長(cháng)度ls,灰色△Gcos+Yc(24)部分為切片沾濕面積Ss,根據式(13),將切片沾濕Ju w, +mx v, +mx v, w, =(Knraa+Kudos)v2+條件下的各沾濕控制面和控制線(xiàn)的沾濕面積和沾濕Kmw,v-G. cose+Mc+Mxc(25)長(cháng)度進(jìn)行疊加,即可得到S和ls:(14)Ucos已(27)式中:x為沾濕控制面數量,以下同上;yo=using(28)式中:Xc(t,H)為滑水阻力;Yc(t,H)為法向滑(15)水力;M(t,H)為滑水力矩;△G為負浮力;m、為導彈質(zhì)量和繞oz軸的轉動(dòng)慣量;lss×n(16)方程組中的有關(guān)流體動(dòng)力模型在1.2~1.3節(17)中都已建立,由附加質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力這里直接寫(xiě)在了運動(dòng)方程組的左端根據二元滑行面在理想流體下的滑水升力計算公式,根據二元滑行面理論可得滑水力近似計算2仿真算例公式為:UAV發(fā)射高度為20m,初始軸向速度為Yc=apV Scy(18)160m/s,初始攻角為1.65°,線(xiàn)性PID控制10),仿真時(shí)0s,仿真結果如下:(19)中國煤化工直符合期望要求式中:c’為滑水動(dòng)升力系數,c:為滑水阻力系實(shí)現CNMHG,且在較小的沾數,計算如下式濕面積下實(shí)現動(dòng)升力對上跳的直接貢獻。整個(gè)彈道cr=cite20)在60s以后趨于穩定,周期性呈現可復制性。裴讓等:兩棲UAv動(dòng)力學(xué)建模與仿真總第36-0013)·1310為0.23結論-10501050100150(1)采用建模仿真方法為分析研究?jì)蓷玌AV的動(dòng)力學(xué)分析提供了一條有效途徑,可以為兩棲彈道傾UAV總體系統的設計與試驗提供先期預報。(2)姿態(tài)參數出現明顯的階躍變化。在滑水瞬間,a,0,ω均出現瞬時(shí)增大,然后隨著(zhù)離開(kāi)水面而回歸平衡,直到下一次滑水瞬間。4彈道姿態(tài)一一時(shí)間歷程曲線(xiàn)(3)UAV在滑水過(guò)程中滑水力在短時(shí)間內出X-Y Plane現較大值,使得UAV的結構工作環(huán)境惡化,對15UAV滑水底面的結構強度提出了較高的要求10(4)UAV在滑水過(guò)程中姿態(tài)短時(shí)間內出現波動(dòng)性變化,UAV彈道變化幅度很大。因此控制系統00.511.522.5的穩定工作與否,對UAV的正常飛行至關(guān)重要,也圖5質(zhì)心彈道仿真一時(shí)間歷程曲線(xiàn)是進(jìn)一步開(kāi)展研究的重要方向。沾濕面積時(shí)間歷程Pane參考文獻:[1] Lyde'ric Bocquet The Physics of Stone SkippinganionysIcs沾濕體積時(shí)間歷程PaneTeachers.[DOI:10.1119/1.1519232],2003[2] Paul R. Hybrid Ram-Wing/Planning Craft-Today's100120Shipps Engineering Service, AlAA-1976-877-977.圖6彈身沾濕狀態(tài)—時(shí)間歷程曲線(xiàn)[3] Hassan G, Mahmoud G. A Combined Method for從彈道外形分析,空中彈道基本平滑,峰值處圓the Hydrodynamic Characteristics of Plannin滑過(guò)渡;入水滑水過(guò)程中水中彈道峰值明顯尖銳,尤Crafts[J]. Ocean Engineering, 2008, 35:310-322其是在水下滑跳瞬間,滑跳彈道出現了吃水尖點(diǎn)[4]吳子牛.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,對于每一次滑水過(guò)程,相當于在空中飛行時(shí)的個(gè)階躍擾動(dòng)激勵源。當底部開(kāi)始沾水,導彈的姿態(tài)[5]程明道,劉晚東,何術(shù)龍,等,方尾船興波阻力計算及參數a,6,叫2,V2均出現一個(gè)較大的變化,其中由于其應用[].船舶力學(xué),1999,15(3):6-1滑水阻力的影響,V:從174m/s減小到168m/s;由[6]B國盒,東海寧,周丹杰等海效導彈氣動(dòng)外形設計方法研究[C/2003空氣動(dòng)力前沿研究論文集,于滑水動(dòng)升力影響v從-16m/s增加到-2.532003:280-2m/s;由于速度的迅速下降造成的攻角急劇減小,從[7]趙連恩高性能船舶水動(dòng)力原理與設計、M!哈爾49°急劇增加到1.1°,與此同時(shí),0、ω分別由觸水前濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2002.的2.8和12.1°/s減小到25°和40°/s,之后由于[8]張宇文魚(yú)雷彈道與彈道設計[M西安:西北工業(yè)滑水動(dòng)升力的作用,上跳逐漸脫離水面V逐漸回大學(xué)出版社,2001到上一次觸水前的速度,于此同時(shí),由于控制系統[9]史瑩晶馬廣高大空域機動(dòng)巡航導彈的模糊PD的作用,a,0,a2也相應回歸,直到下一次觸水?？刂破髟O計[].彈箭與制導學(xué)報,205,26(4):1從沾濕狀態(tài)上來(lái)看,沾濕面積和沾濕體積在最中國煤化工初幾次滑水過(guò)程波動(dòng)較大,初次入水和二次入水相10性PID控制在導CNMHG南大學(xué)學(xué)報(自然差最大,之后沾濕面積S和沾濕體積V,開(kāi)始逐漸科學(xué)版),2006,18(8);411-414上升,在約68s時(shí)趨于穩定,此時(shí)S,為29m2,V