【摘要】：大柔性飛行器是一類高空長(zhǎng)航時(shí)飛行器,具有大展弦比機(jī)翼。其能在兩萬米高空之上巡航較長(zhǎng)時(shí)間,在軍事和民用范圍內(nèi)都能發(fā)揮重要作用,例如情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)中繼、氣象信息采集等。大柔性飛行器機(jī)翼細(xì)長(zhǎng)、柔性程度高,在常規(guī)飛行狀態(tài)下也容易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形,影響飛行器的飛行性能。所以本文對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)建模、穩(wěn)定性分析、運(yùn)動(dòng)特性分析、可控性分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先,對(duì)傳統(tǒng)坐標(biāo)系進(jìn)行修正建立剛體機(jī)身模型;采用歐拉-伯努利梁對(duì)柔性機(jī)翼建模,運(yùn)用有限元的思想和Lagrange方程進(jìn)行推導(dǎo);引入片條假設(shè)對(duì)飛行器進(jìn)行氣動(dòng)力建模;最后綜合各部分建模推導(dǎo)出完整的非線性氣動(dòng)彈性與動(dòng)力學(xué)耦合的模型。其次,對(duì)大柔性飛行器提出一套配平理論求解出各配平結(jié)果。分析在三個(gè)吊艙都存在負(fù)載情況下的時(shí)域響應(yīng)。著重分析了飛行器在離散突風(fēng)、連續(xù)紊流、具體風(fēng)場(chǎng)下的陣風(fēng)響應(yīng),并初步得出使飛行器穩(wěn)定飛行的陣風(fēng)臨界值。然后,針對(duì)大柔性飛行器在中心負(fù)載超過臨界值成為開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng),并且在控制飽和約束的限制下,討論了不同的負(fù)載、控制約束、阻尼因子、剛度條件下的零能控區(qū)域大小,采用穩(wěn)定半徑來定量地衡量。并設(shè)計(jì)了控制器進(jìn)行初步地驗(yàn)證。最后,對(duì)非線性大柔性飛行器模型進(jìn)行線性化與平衡截?cái)喾ń惦A,對(duì)比前后輸出相應(yīng)。針對(duì)陣風(fēng)擾動(dòng)下的大柔性飛行器設(shè)計(jì)基于線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)的模型參考自適應(yīng)控制器,仿真結(jié)果表明,在陣風(fēng)擾動(dòng)下該控制器依然能良好地跟蹤縱向指令。
【圖文】：

圖 1.1 “太陽神”號(hào)無人機(jī)003 年，太陽神號(hào)無人機(jī)在進(jìn)行第二次試飛 30 分鐘后遭遇紊流墜毀在美軍海軍太。之后 NASA 的研究人員在事故報(bào)告的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)時(shí)太陽神號(hào)無人機(jī)遭遇了擾動(dòng)，機(jī)翼變形成為一個(gè)高二面角。由于二面角的存在，飛機(jī)俯仰振蕩劇烈，在周期模態(tài)中變得極不穩(wěn)定。飛機(jī)遇到湍流時(shí)的空速已超過了飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的空速，使得機(jī)翼板上的機(jī)翼前緣二級(jí)結(jié)構(gòu)失效，，太陽能電池和機(jī)翼上表面的蒙皮撕裂。號(hào)無人機(jī)失去了升力，墜入太平洋。同時(shí)研究人員也指出了這次任務(wù)失敗的根本乏足夠的分析方法，導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)變形不正確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；2）飛機(jī)結(jié)構(gòu)的變形將飛負(fù)載變成一個(gè)點(diǎn)負(fù)載分布，并大大減少了設(shè)計(jì)時(shí)的魯棒性和安全性。從這次事故教訓(xùn)主要有對(duì)于高度柔性易變形的飛機(jī)，需要發(fā)展交叉學(xué)科的研究方法，包括動(dòng)動(dòng)彈性、控制方法、材料等；還需要建立多學(xué)科的模型才能描述飛機(jī)變形的非線年來，各個(gè)新興科技領(lǐng)域的研究取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。在信息技術(shù)、工業(yè)控制，出現(xiàn)了先進(jìn)的機(jī)載傳感器、通信包、復(fù)合材料等等，使得軍事上的信息對(duì)抗從空拓展到臨近空間（海拔 20 千米到 100 千米）的空間范圍內(nèi)。由于這部分空間

大柔性飛行器陣風(fēng)擾動(dòng)影響分析及穩(wěn)定控制研究T 系列”無人機(jī)，由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第十一研究院自主研制的“彩虹這將意味著中國(guó)繼美國(guó)之后成為世界上第二個(gè)掌握大中型。列”無人機(jī)如下圖所示。該無人機(jī)采用飛翼式布局，翼展長(zhǎng)采用雙尾翼的結(jié)構(gòu)，可以有效降低飛翼式布局帶來的縱向可以更有效地控制該無人機(jī)的姿態(tài)與軌跡，抵抗更強(qiáng)勁的種高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)，根據(jù)飛行實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其能夠停留該系列無人機(jī)可以達(dá)到數(shù)月甚至數(shù)年的巡航時(shí)間，因其動(dòng)力統(tǒng)設(shè)備足夠可靠，理論上可以無限續(xù)航。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V249.1

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本文編號(hào)：2683180