[發(fā)明專利]飛行器推力強耦合解耦方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410165972.6
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN103914074A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發(fā)明（設計）人: 林鵬;周軍;許琦;朱多賓;余晨菲
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種飛行器推力強耦合解耦方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、建立飛行器推力模型；

(1)進氣道入口狀態(tài)與飛行狀態(tài)的關系；

利用牛頓激波理論建立飛行狀態(tài)與進氣道入口狀態(tài)的關系：

M1=M∞cosθs1+12(γ-1)M∞2sin2θsp1p∞=7M∞2sin2θs-16T1T∞=(7M∞2sin2θs-1)(M∞2sin2θs+5)36M∞2sin2θs---(1)]]>

式中，T₁是進氣道入口的溫度，P₁是進氣道入口的壓強，M₁是進氣道入口的馬赫數(shù)，η是進氣道入口的氣動角，P_∞是無窮遠處的壓強，M_∞是無窮遠處的馬赫數(shù)，θ_s為氣流差動角，即來流和飛行器前體斜面之間的夾角；θ_s＝τ₁+α，其中，τ₁為飛行器縱軸和其前體斜面之間的夾角，α為來流和飛行器縱軸之間的夾角；γ為氣體的比熱，取1.4；

(2)發(fā)動機擴散段入口與出口之間的關系；

[1+12(γ-1)M22](γ+1)(γ-1)M22=(AD‾)2[1+12(γ-1)M12](γ+1)(γ-1)M12P2=P1[1+12(γ-1)M121+22(γ-1)M22]γ/γ-1T2=T11+12(γ-1)M121+12(γ-1)M22---(2)]]>

式中，M₂為燃燒室入口的馬赫數(shù)，T₂為燃燒室入口的溫度，P₂為燃燒室入口的壓強；為擴散段出口面積與入口的面積的比；

(3)發(fā)動機燃燒室入口與出口之間的關系；

M32[1+12(γ-1)M32](γM32+1)2=M22[1+12(γ-1)M22](γM22+1)2+M22(γM22+1)T0T2P3=P21+γM221+γM32T3=T2(1+γM221+γM32M3M2)2(3)]]>

式中，M₃為尾噴管入口處的馬赫數(shù)，T₃為尾噴管入口處的溫度，P₃為尾噴管入口處的壓強；T₀為氣體經(jīng)過燃燒室燃燒后溫度的增加量；

(4)發(fā)動機尾噴管入口與出口之間的關系為：

[1+12(γ-1)Me2](γ+1)(γ-1)Me2=(AD‾)2[1+12(γ-1)M22](γ+1)(γ-1)M32Pe=P3[1+12(γ-1)M321+22(γ-1)Me2]γ/γ-1Te=T31+12(γ-1)M321+12(γ-1)Me2(4)]]>

式中，M_e為尾噴管出口的馬赫數(shù)，T_e為尾噴管出口的溫度，P_e為尾噴管出口的壓強；為尾噴管出口面積與入口的面積的比；

最終，得到吸氣式超燃沖壓發(fā)動機推力計算公式為：

Th={[γPeMe2+(Pe-P∞)]-γP1M12+(P1P∞)/ADAN‾}Ae(5)]]>

式中，A_e為尾噴管出口面積；

步驟二、建立推力耦合模型；

將上節(jié)建立的超燃沖壓發(fā)動機的數(shù)學模型在工作點小擾動線性展開，利用敏感度方程、敏感度矩陣的形式建立飛行狀態(tài)對發(fā)動機的耦合模型；

在工作點將式(1)兩邊對M_∞及θ_L求偏導，線性化處理，得飛行器前緣敏感度方程：

ΔM1ΔP1ΔT1=C3×2ΔM∞ΔθL---(6)]]>

式中，C為飛行器前緣敏感度矩陣；

在工作點將式(2)、式(3)和式(4)分別小擾動線性化，得到進氣道敏感度方程，燃燒室敏感度方程，尾噴管敏感度方程；將三個敏感度方程相乘得到發(fā)動機自身敏感度方程：

ΔMeΔpeΔTe=S3×3ΔM1ΔP1ΔT1+Sc3×2ΔA‾DΔT0---(7)]]>

式中，S、S_c分別為發(fā)動機自身敏感度矩陣和發(fā)動機控制敏感度矩陣；

將式(6)帶入式(7)得到發(fā)動機敏感度方程：

ΔMeΔpeΔTe=R3×3ΔM∞ΔθL+Sc3×2ΔA‾DΔT0---(8)]]>

式中，R_3×2＝S_3×3C_3×2為發(fā)動機敏感度矩陣；

將式(5)在工作點小擾動線性化，得到：

ΔTh=∂f∂M1ΔM1+∂f∂P1ΔP1+∂f∂MeΔMe+∂f∂PeΔPe+∂f∂A‾DΔA‾D---(9)]]>

這里，定義(f1′,f2′,f3′,f4′,f5′)=Δ∂f∂M1,∂f∂P1,∂f∂Me,∂f∂Pe,∂f∂A‾D]]>

又θ_L與氣動角相差一個常數(shù)，則△θ_L＝△η；將式(6)、式(8)和式(9)聯(lián)立，得到發(fā)動機推力敏感度方程如下式所示：

ΔTh=∂Th∂M∞ΔM∞+∂Th∂θLΔη+∂Th∂A‾DΔA‾D+∂Th∂T0ΔT0ThM∞=∂Th∂M∞=f1′C11+f2′C21+f3′R11+f4′R21ThθL=∂Th∂θL=f1′C12+f2′C22+f3′R12+f4′R22ThA‾D=∂Th∂A‾D=f5′+f3′SC11+f4′SC21ThT0=∂Th∂T0=f3′SC12+f4′SC22---(10)]]>

該發(fā)動機推力敏感度方程充分體現(xiàn)了機體對發(fā)動機的耦合；這種耦合分為三部分：第一部分為M_∞和η；第二部分為，一般認為第三部分為T₀；

在一定的高度下，當M_∞不改變的時候，即飛行器的速度不改變；沖壓發(fā)動機的內(nèi)部控制量不變化，與T₀不改變，那么沖壓發(fā)動機的推力就直接和氣動角的變化有關；根據(jù)式(10)建立其飛行姿態(tài)對發(fā)動機推力的耦合模型；

Th(t₀)＝Th₀(t₀)+△Th(t₀)??(11)

式中，Th(t₀)為飛行器受到擾動后發(fā)動機的推力；Th₀(t₀)為未受擾動時發(fā)動機的推力；△Th(t₀)為推力的變化量；

假設影響沖壓發(fā)動機推力改變量△Th(t₀)的變量中，只有氣動角η發(fā)生了變化，也就是說變量M_∞，和T₀不變，那么式(11)變?yōu)椋?/p>

Th＝Th₀+k·α??(12)

式中，Th₀為為發(fā)動機在氣動角η＝0的推力；k為，表達式如式(10)中所示，其值與未受擾動的M_∞、、T₀和無窮遠處自由流的溫度、壓強有關；

飛行器在未擾動運動中，沖壓發(fā)動機的推力產(chǎn)生相對飛行器質心的推力力矩為定值，將其看為常值干擾；在不考慮氣動耦合、慣性耦合的情況下，俯仰通道的力矩M_z表示為：

Mz=Mz0+Mzαα+Mzωzωz+Mzδzδz+MTh0---(13)]]>

式中，分別是M_z關于α、δ_z、ω_z的偏導數(shù)；M_z0是當時的俯仰力矩；M_Th0是未擾動時飛行器受到的推力力矩；

當飛行器姿態(tài)發(fā)生抖動時，沖壓發(fā)動機的推力如式(12)變化；隨之，俯仰通道的力矩將隨推力力矩的改變而改變，俯仰通道的力矩M_z表示為：

Mz=Mz0+Mzαα+Mzωzωz+Mzδzδz+MTh0+-MThα--(14)]]>

式中，是M_Th關于α的偏導數(shù)；

由式(13)知，未擾動運動中推力力矩M_Th0看為常值干擾力矩；其對機體的擾動作用由氣動舵力矩和穩(wěn)定力矩補償和抵消；

而當飛行器姿態(tài)發(fā)生擾動時，產(chǎn)生的推力耦合力矩會影響飛行器的縱向運動的穩(wěn)定性；

步驟三、定義推力耦合評價指標；

針對步驟二所確定的力矩模型表征形式(14)，為了分析推力耦合對俯仰通道的影響，引入推力耦合評價指標——耦合度定義如下：

KzTh=|ΔMThMTh0|=|MThαΔαMTh0|×100%---(15)]]>

式中，上標Th表示推力耦合；下標z表示俯仰通道；

由沖壓發(fā)動機的推力和攻角是線性的關系(12)得到

MThα=k·L1---(16)]]>

式中，L₁為飛行器質心到發(fā)動機推力線的距離；

故推力耦合度變?yōu)椋?/p>

KzTh=|k·L1·ΔαTh0·L1|=|k·ΔαTh0|×100%---(17)]]>

步驟四、定義推力耦合特征；

結合步驟三確定的推力耦合特性評價指標——耦合度的定義，根據(jù)耦合度的大小，完成推力強耦合與推力弱耦合特征的定義；

(1)定義推力弱耦合；

定義推力耦合度推力耦合為弱耦合；

(2)定義推力強耦合；

定義推力耦合度推力耦合為強耦合；當推力耦合度增大到一定數(shù)值時，舵面偏轉提供的力矩不能抵消△M_Th，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；由上節(jié)定義的推力耦合度定義

ΔMTh=KzThMTh0---(18)]]>

設強耦合度的上界為則

(1+(KzTh)L)MTh0=Mzδzδzmax---(19)]]>

解得：

(KzTh)L=|Mzδzδzmax|-|MTh0||MTh0|×100%---(20)]]>

推力強耦合的范圍是：

10%≤KzTh<KzLTh---(21)]]>

步驟五、推力耦合解耦；

(1)飛行器推力弱耦合下的推力解耦；

根據(jù)定義，推力弱耦合下認為姿態(tài)的變化基本不會引起推力力矩的改變，故忽略推力耦合作用；俯仰通道力矩簡化為：

Mz=Mz0+Mzαα+Mzωzωz+Mzδzδz+MTh0]]>

(2)飛行器推力強耦合下的推力解耦；

根據(jù)推力強耦合的定義，在強耦合范圍下，俯仰通道力矩簡化為：

Mz=Mz0+Mzαα+Mzωzωz+Mzδzδz+(1±KzTh)MTh0---(22)]]>

式中，右側的極性由推力力矩的增量與未擾動推力力矩項的實際極性確定。