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(hào):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(yùn)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。基于空氣動(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(duì)兩棲UAV的滑跳過程進(jìn)行了彈道仿真研究。建?？梢詾閮蓷玌AV的方案總體設(shè)計(jì),滑水外形優(yōu)化和彈道方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和計(jì)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(jì)算中圖分類號(hào):TJ760.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dá)到出其不意的攻擊目的。由于兩棲UAV在飛行過程中,不斷交替在氣、兩棲UAV是近年來新提出的一種能夠通過水液兩相界面運(yùn)動(dòng),受空氣動(dòng)力,水動(dòng)力的復(fù)面待機(jī)、水上高速滑行、水面起降、近水面滑跳機(jī)動(dòng)合影響,受力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜,國內(nèi)外對(duì)其的研究較飛行實(shí)現(xiàn)高效突防的一種新概念飛行器。根據(jù)概念少[們。本文將針對(duì)兩棲UAV滑跳的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),建設(shè)計(jì),它融合了水上飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈各自的優(yōu)勢(shì),具立兩棲UAV滑跳階段的動(dòng)力學(xué)模型,并給出數(shù)值有水陸兩棲特性,先以巡航飛行模式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程防區(qū)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(jī)動(dòng)飛行利用海面雜波掩護(hù)躲避敵方低空雷達(dá)實(shí)現(xiàn)高效1數(shù)學(xué)模型中國煤化工收稿日期:2009-11-10修回日期:200912-20CNMHG吃水線為界上半作者簡介輩『(1983),男,江蘇室興人,博士研究部分為+p萬乃加坐底,UAV外形如下生,研究方向:水中兵器發(fā)射理論與技術(shù)。頁圖1所示;UAV為軸對(duì)稱剛體,質(zhì)心位于對(duì)稱軸裝讓,等:兩犧UAv動(dòng)力學(xué)建模與仿真(總第36-0011)·11上;飛行過程中不計(jì)外界干擾力;不計(jì)運(yùn)動(dòng)過程中舵k為平尾處的動(dòng)壓比;為平尾處下洗隨攻角面響應(yīng)運(yùn)動(dòng)的反作用;運(yùn)動(dòng)過程中僅考察其縱向運(yùn)動(dòng)過程,忽略的偏航和橫滾運(yùn)動(dòng)海面為靜海面,不的變化率;m,m為力矩系數(shù)關(guān)于攻角和舵角的導(dǎo)考慮海況影響;取地面坐標(biāo)系Ox0y0zo和彈體坐標(biāo)系數(shù);Cy,m:為彎曲假設(shè)下的升力系數(shù)與力矩系數(shù)關(guān)0xyz如圖2所示。UAV的滑跳運(yùn)動(dòng)可簡化為縱向于角速度a的導(dǎo)數(shù);a為UAV攻角,由下式計(jì)算平面運(yùn)動(dòng)。a=-arctan ()其中0為彈道傾角,由下式計(jì)算圖1兩棲UAV坐標(biāo)示意圖(10)1.2流體動(dòng)力分析V為特征速度,取導(dǎo)彈質(zhì)心處相對(duì)于流體的速在兩棲UAV飛行過程中,作用于導(dǎo)彈上的流度:體動(dòng)力與UAV距離海面的高度H有關(guān),當(dāng)H≥0時(shí),UAV在空中飛行,僅受到氣動(dòng)力的影響。當(dāng)H同時(shí)還受到水動(dòng)力的作用,在UAV飛行過程中,充、a分別為導(dǎo)彈的有因次和無因次俯仰角速<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(yīng)的影響。UAV的作用力分別以位(11)置力和阻尼力表征在坐標(biāo)系中,各流體動(dòng)力如下,其0為UAV過程中彈體系下的實(shí)時(shí)俯仰角中下標(biāo)為B,I,I分別表示機(jī)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(yùn)(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(yùn)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(zhuǎn)力:兩棲UAV不同于常規(guī)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(duì)UAV的影響,UAV的力學(xué)特征和彈道特征較常規(guī)飛行器有極大②旋轉(zhuǎn)力矩:不同。入水過程主要是橫向的滑水運(yùn)動(dòng)和縱向的簡M=opsL va,m?(5)諧運(yùn)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(yùn)動(dòng)介質(zhì)的密度;v為運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于阻力兩部分?；\(yùn)動(dòng)過程中,UAV彈身姿態(tài)時(shí)刻變化,故面積為機(jī)氮相對(duì)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(shù)關(guān)于攻角和舵角的導(dǎo)數(shù)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(shù)基于地面坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換為彈體坐標(biāo)系。水平面坐c為摩擦阻力系數(shù);c為誘導(dǎo)阻力系數(shù)標(biāo)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,它們的確定都依賴于導(dǎo)彈滑跳過程中的導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)參數(shù),如導(dǎo)彈的速度v與v導(dǎo)彈的加速度a、導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)動(dòng)角θ、導(dǎo)彈的質(zhì)心位移x與y等。這就需要建立導(dǎo)彈發(fā)射過程的運(yùn)動(dòng)方程組,以求解導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)參數(shù)。取圖3切片沾濕示意圖導(dǎo)彈的質(zhì)心為坐標(biāo)系oxy原點(diǎn)在坐標(biāo)系(參見圖)lss~lss和Ss1~Ss分別為切面的沾濕控制中建立導(dǎo)彈平面運(yùn)動(dòng)方程組:面和沾濕控制線。當(dāng)沾濕控制面全部沾濕,取該面面a2]=-K;v2-△Gsin-Xc積邊長作為沾濕長度和沾濕面積,沾濕控制面部分(23)沾濕條件下,取該面到水線的位置為沾濕長度和沾Uy +mx.+,,=(Kya+K,0n)v2+Kw,U濕面積。圖3中粗線部分為切片沾濕長度ls,灰色△Gcos+Yc(24)部分為切片沾濕面積Ss,根據(jù)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的沾濕面積和沾濕Kmw,v-G. cose+Mc+Mxc(25)長度進(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(shù)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(fù)浮力;m、為導(dǎo)彈質(zhì)量和繞oz軸的轉(zhuǎn)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(jié)(17)中都已建立,由附加質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力這里直接寫在了運(yùn)動(dòng)方程組的左端根據(jù)二元滑行面在理想流體下的滑水升力計(jì)算公式,根據(jù)二元滑行面理論可得滑水力近似計(jì)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°,線性PID控制10),仿真時(shí)0s,仿真結(jié)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(shù),c:為滑水阻力系實(shí)現(xiàn)CNMHG,且在較小的沾數(shù),計(jì)算如下式濕面積下實(shí)現(xiàn)動(dòng)升力對(duì)上跳的直接貢獻(xiàn)。整個(gè)彈道cr=cite20)在60s以后趨于穩(wěn)定,周期性呈現(xiàn)可復(fù)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(jié)論-10501050100150(1)采用建模仿真方法為分析研究兩棲UAV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(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供先期預(yù)報(bào)。(2)姿態(tài)參數(shù)出現(xiàn)明顯的階躍變化。在滑水瞬間,a,0,ω均出現(xiàn)瞬時(shí)增大,然后隨著離開水面而回歸平衡,直到下一次滑水瞬間。4彈道姿態(tài)一一時(shí)間歷程曲線(3)UAV在滑水過程中滑水力在短時(shí)間內(nèi)出X-Y Plane現(xiàn)較大值,使得UAV的結(jié)構(gòu)工作環(huán)境惡化,對(duì)15UAV滑水底面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了較高的要求10(4)UAV在滑水過程中姿態(tài)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)性變化,UAV彈道變化幅度很大。因此控制系統(tǒng)00.511.522.5的穩(wěn)定工作與否,對(duì)UAV的正常飛行至關(guān)重要,也圖5質(zhì)心彈道仿真一時(shí)間歷程曲線是進(jìn)一步開展研究的重要方向。沾濕面積時(shí)間歷程Pane參考文獻(xiàn):[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[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滑過渡;入水滑水過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(xiàn)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(duì)于每一次滑水過程,相當(dāng)于在空中飛行時(shí)的個(gè)階躍擾動(dòng)激勵(lì)源。當(dāng)?shù)撞块_始沾水,導(dǎo)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(jì)算及參數(shù)a,6,叫2,V2均出現(xiàn)一個(gè)較大的變化,其中由于其應(yīng)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(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、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]張宇文魚雷彈道與彈道設(shè)計(jì)[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(tǒng)[9]史瑩晶馬廣高大空域機(jī)動(dòng)巡航導(dǎo)彈的模糊PD的作用,a,0,a2也相應(yīng)回歸,直到下一次觸水?？刂破髟O(shè)計(jì)[].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),205,26(4):1從沾濕狀態(tài)上來看,沾濕面積和沾濕體積在最中國煤化工初幾次滑水過程波動(dòng)較大,初次入水和二次入水相10性PID控制在導(dǎo)CNMHG南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然差最大,之后沾濕面積S和沾濕體積V,開始逐漸科學(xué)版),2006,18(8);411-414上升,在約68s時(shí)趨于穩(wěn)定,此時(shí)S,為29m2,V