空中加油软管锥套组合体甩鞭现象动力学建模与分析

软管锥套组合体特殊的刚-柔-液耦合结构使其甩鞭现象动力学特性极为复杂,尚无法准确建模分析,严重制约了现有抑制措施的有效性,大大限制了空中加油对接的成功率和安全性。为分析甩鞭现象的动力学特性,基于集中参数的多刚体动力学,提出一种包含软管弹性且长度可变的软管锥套组合体运动模型。软管被抽象为由无摩擦铰链相互串联的若干变长度刚性连杆,各连杆质量和受力假设集中于铰链处。同时考虑软管弯曲恢复力、软管收放、加油机牵连运动、重力、定常流、大气扰动以及加油机尾流等内外部因素,推导出迭代形式的软管锥套组合体运动方程。通过数值仿真,对不同对接速度、不同软管长度和恒力弹簧控制方式等因素对甩鞭现象动力学特性的影响进行分析。结果表明,在对接速度柔和、软管长度较长时,对接诱发的甩鞭现象程度较轻。恒力弹簧控制方式诱发类似简谐振动形式的甩鞭现象,根源在于软管收放控制范围有限,回卷滞后性明显无法匹配受油机对接速度。

受油机头波作用下软管-锥套运动特性分析

为降低空中加油对接过程中头波作用对软管-锥套的扰动,提高空中加油对接成功率,对头波影响范围内软管-锥套运动特性进行了仿真与分析。首先,基于集中参数原理的多刚体动力学,建立了包含软管弹性及弯曲恢复力矩且长度可变的软管锥套组合体动力学模型。然后,采用拟合半兰金体头波理论模型模拟符合受油机头部外形尺寸的头波流场。最后,通过综合考虑紊流、重力以及加油机尾流等因素的数值仿真,获得了头波作用下软管锥套的运动特性,就不同对接高度、飞行速度、软管材料、对接速度、对接方式和受油机头部外形等因素对头波作用下软管锥套运动特性的影响进行了分析。结果表明:受油机靠近锥套时,在头波作用下锥套会向远离受油机的方向运动,然后回摆;高对接高度、低飞行速度可降低头波的扰动,合理设置对接速度、对接方式、软管材料、截面类型与受油机头部外形也可降低头波对锥套的扰动。仿真结果充分说明通过优化加油设备及对接过程可以达到降低头波扰动的目的。

软式空中加油系统鞭甩现象多体动力学分析

软管-锥套式空中加油系统的柔性结构经常发生不同程度的软管鞭甩现象,极大影响空中加油任务的安全性。基于柔性多体动力学,建立了空中加油系统动力学模型,其中,利用基于任意拉格朗日-欧拉描述方式和绝对结点坐标法的索/梁模型描述管线的大变形、大范围运动以及软管收放,并对空中加油系统受到的气动力进行建模,建立的模型能够反映加油机和受油机运动、软管和锥套的变形与气动力的耦合影响。基于建立的空中加油系统动力学模型,复现飞行状态下的软管鞭甩现象,获得了鞭甩现象的形成机理。研究表明,对接冲击下,软管平衡状态改变所形成的剪切波向后传播与反射是鞭甩现象产生的主要原因。通过多工况计算结果,分析了软管刚度、对接速度、Ma数各因素对鞭甩现象引起的软管剪切力、纵波与剪切波传播速度的影响规律,并分别分析了软管收放控制和加缓冲的受油插头两种措施对鞭甩现象振动抑制的有效性。

加油软管释放过程中的动态特性研究

加油软管释放是软式空中加油中必不可少的环节,为全面分析软管释放过程中的动态特性,基于有限元思想和多刚体动力学理论,在充分考虑气流扰动、加油机牵连运动、软管收放等因素的基础上,建立软管锥套组合体的运动模型,并在模型中将软管等效成多根等长且长度可变的串联连杆。考虑到空中加油任务场景的多变性,分别对不同紊流强度、不同飞行高度、不同飞行速度、不同牵连点位置和不同释放速度剖面条件下软管释放过程中的动态特性进行数值仿真,并结合空气动力学、尾流效应和运动学理论对仿真结果进行了机理分析。结果表明,飞行高度和飞行速度的改变会对软管的摆动幅度和拉力产生较大的影响。特别地,当软管悬挂位置过于靠近翼尖时,由于受到的尾涡强度大幅增加,软管出现大范围的无规则摆动现象。