[發明專利]單滑塊滾噴模式變質心飛行器模型及其結構布局參數的設計方法

有效

• 申請號: 201510330082.0
• 申請日: 2015-06-15
• 公開（公告）號: CN104881553B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 高長生;李澗青;魏鵬鑫;荊武興
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種變質心飛行器以及飛行器的參數的設計方法。

背景技術

變質心控制技術是通過主動移動飛行器內部的活動質量體，改變系統質心的位置，引起作用在飛行器上的外力矩發生改變來獲得期望的控制性能，從而達到對飛行器機動控制的目的。

根據實現方式的不同，可以分成兩類：(1)變質心配平控制(Moving-mass trim control，MMTC)；(2)變質心滾動控制(Moving-mass roll control，MMRC)。變質心配平控制(MMTC)主要應用在具有軸對稱結構的飛行器上，它是通過內部活動質量體的運動來產生配平攻角，使飛行器產生機動。變質心滾動控制(MMRC)主要應用在具有結構不對稱的飛行器上，如具有彎頭結構外形的飛行器。它是通過結構不對稱來獲得大的橫向過載，通過移動活動質量體沿徑向運動使系統質心偏離縱向面，在橫向力的作用下產生滾轉力矩，從而控制升力面的方向。

根據變質心控制的原理，可以發現變質心控制方式較氣動舵面和側噴發動機這兩種傳統的控制方式具有以下優越性：

1.變質心控制機構完全在飛行器內部工作，有利于飛行器獲得良好的氣動外形。

2.變質心控制可以避免氣動舵面控制帶來的一系列問題，如超高聲速飛行時的舵面燒蝕問題等。

3.對于高速運動的再入飛行器可以充分利用氣動力進行機動，這樣既節省了能量上的消耗，同時又能獲得很大的控制力和控制力矩，避免了采用側噴發動機方式產生的控制力矩大小與燃料消耗之間的突出矛盾

變質心控制的特點使得它獲得了廣泛的應用，如大氣層外飛行器、水下飛行器和大氣層內飛行器。其中大氣層內飛行器的變質心控制是當前研究的熱點，當前對變質心控制技術的研究主要集中在再入飛行器和攔截彈上，國內外研究學者從建模、機理和性能分析以及制導控制系統設計等方面開展了工作。

由于變質心控制結構上的優點，最初的研究多集中在高超聲速(高超音速，指物體的速度超過5倍音速)再入飛行器上，如彈道導彈彈頭的末段控制等，直接利用高速飛行產生的氣動力作為控制力即可達到機動飛行的目的，避免高速飛行時采用舵面控制帶來的一系列問題。目前絕大部分對于變質心控制技術的研究主要采用的內部滑塊布局為兩活動質量體+差動幅翼這種模式(如圖1所示)。通過兩活動質量體沿不同方向的平動來達到對俯仰和偏航通道的控制，由于單純依靠質量體的運動無法滿足對滾動通道的控制要求。因此，為了保證控制性能，需要額外的執行機構來確保滾動通道穩定性，差動幅翼作為一種可選擇的方式在很多文獻中得到了研究，但是這又在一定程度上破壞了彈體外形結構的完整性，當飛行器在大氣層內高速飛行時，這種由于結構外形不對稱產生的燒蝕現象仍然存在。如果彈體的外形是一個完整的對稱體，外部只有彈翼等固定部件，完全通過彈體內部的活動部件以某種形式運動達到對彈體的控制目的，無疑是飛行器機動控制的一大飛躍。

研究表明，活動質量體的質量比越大飛行器產生的機動能力就越強，但是當質量比增大時驅動也將變得困難，同時動力學特性也將變得異常復雜，因此受多方面因素限制，活動質量體的質量比不能太大，在這種情況下彈體是主體。

發明內容

本發明的目的是為了解決傳統的高超聲速飛行器的氣動舵燒蝕問題，以及傳統變質心飛行器內部滑塊布局復雜問題。

單滑塊滾噴模式變質心飛行器模型，包括兩個固定翼、彈體和滾噴發動機，兩個固定翼對稱設置在彈體的兩側；所述飛行器模型還包括彈體內部的活動體；活動體為錐形體，活動體的錐形體尖部與彈體頭部通過活動連接點O₁連接；彈體尾部設有導軌，活動體的錐形體根部與彈體尾部的導軌的O₂點滑動連接；其中導軌上的O₂點在伺服力的作用下沿與彈體固連的導軌繞O₁做相對運動。通過改變活動體與彈體的相對位置使得系統質心發生變化，從而在氣動力的作用下獲得不同的配平攻角，產生期望升力的大小；而在滾噴發動機的作用下，彈體繞縱軸旋轉，從而使得升力位于所需的過載平面；該控制模式的最大優點是可以完全擺脫彈體外部的活動部件，僅靠內部活動部件的相對運動即可達到控制飛行器姿態運動的目的；所述系統均指代變質心飛行器；本發明的活動體質量占整個系統質量大部分，而彈體作為受驅動體，同樣也能達到機動控制目的，通過活動體上的執行機構來控制彈體的運動，此時，彈體完全可以拋開外部的活動部件，保證了彈體具有完整的氣動外形。

一種針對所述單滑塊滾噴模式變質心飛行器模型的單滑塊滾噴模式變質心飛行器的結構布局參數的設計方法包括下述步驟：