软管-锥套式空中加油动态建模与性能分析

提出了一种基于凯恩方程的自主空中加油软管-锥套动态模型及性能分析方法。该方法将软管视为由有限段以铰链形式连接的刚性杆组成,锥套为软管末端的一个质点。本文定义了描述系统状态的广义坐标及广义速率,导出了软管段位置多级递推公式和系统动态方程,估算了软管在加油机尾流、定常流和大气扰动下的气动载荷。通过数值仿真分析了平稳大气中锥套在加油机不同飞行条件下的稳态阻力和软管拖拽轨迹,验证了模型的正确性及系统稳定性。最后研究了大气扰动对锥套运动的影响及不同软管段的受扰运动。

不确定环境下的软管-锥套建模及控制研究

提出了一种能有效适应不确定性环境的锥套稳定控制方法。在对软管-锥套非线性动力学模型线性化及降阶处理的基础上,将大气紊流对软管-锥套的扰动视为随机扰动,并把这种扰动作为参数与软管-锥套系统降阶模型中的状态合并成增广的系统状态量,采用卡尔曼滤波方法对系统状态量进行实时估计,并设计LQG控制器,实现对锥套的稳定控制。仿真结果表明,该方法能实时跟踪大气紊流的变化,且具有较好的抗大气紊流干扰的能力,能保证锥套的稳定。

空中加油软管-锥套动态建模与仿真

利用有限元分析法建立加油机流场下的加油软管动态模型,利用该模型分析加油机不同飞行条件下的软管-锥套平衡拖拽尾迹。利用牛顿运动定律建立软管-锥套的运动方程,分析软管的气动载荷。对第一段软管的运动施加约束建立变长度的软管-锥套模型。在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,分析加油机平飞、爬升、下滑状态下的软管-锥套动态特性。仿真结果与国内外公开的试飞数据相吻合,验证了模型的正确性。所建模型来可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等。

空中加油软管-锥套空中飘摆运动建模与控制

软管-锥套随加油机在空中飞行时产生的飘摆运动增加了受油机安全准确地对接加油锥套的难度,采用多刚体动力学建立空中加油软管-锥套在尾涡流场及大气紊流下的空中飘摆运动的数学模型,分析了加油机在不同飞行条件下软管-锥套的平衡拖拽尾迹以及气流对软管-锥套的影响。为了减小软管-锥套空中飘摆运动的幅度,对软管-锥套运动设计了控制器。在对非线性模型线性化及降阶处理的基础上,设计了PID(proportion-integration-differentiation)控制器。仿真表明所设计的控制器能有效减小软管-锥套的运动幅度,从而能够降低空中加油对接的难度,提高空中加油的安全性。

空中加油软管-锥套动态建模及其飘摆运动抑制

基于多刚体动力学建立空中加油软管-锥套在尾涡流场及大气紊流下的动态数学模型,分析了加油机在不同飞行条件下软管-锥套的平衡拖拽尾迹,以及大气紊流对软管-锥套运动的影响。软管-锥套随加油机在空中飞行时产生的飘摆运动,增加了受油机安全准确地对接加油锥套的难度。为了抑制软管-锥套空中飘摆运动,对软管-锥套飘摆运动设计了控制器。在非线性模型平衡点处线性化并降阶得到线性增量模型,根据最优控制原理设计了LQR控制器。仿真表明所设计的LQR控制器能有效抑制软管-锥套的飘摆运动,从而能够降低空中加油对接的难度,提高空中加油的安全性。

空中加油软管-锥套动力学建模及仿真

为研究空中加油过程中软管锥套的运动特性,采用有限元方法建立了软管锥套组合体的稳态数学模型;利用该稳态模型计算了某型加油机在不同飞行速度和不同软管长度情况下锥套的下沉量;加入加油机尾流速度模型,计算了尾流场对锥套位置的影响;在模拟器上验证了文章所提出方法的有效性。

基于MBD-CFD的软管-锥套空中加油仿真框架

随着无人加油等新兴应用场景的出现,软管-锥套式空中加油技术近年来重新得到了航空工业界的重点关注。使用计算机数值模拟手段对空中加油系统进行流体-动力学仿真,已成为空中加油系统设计、研发和飞行测试评估中的必备手段。一方面,基于工程简化模型的软管-锥套仿真方法的数值模拟精度难以满足实际需求,另一方面,完全基于非定常计算流体力学(CFD)的耦合仿真方法计算量较大,在有限计算资源条件下难以满足快速设计迭代与多参数优化的计算效率需求。通过将多个求解层次的流固耦合分析工具有机结合,建立了基于多体动力学(MBD)和CFD的加油机软管-锥套装置的耦合仿真框架和方法。对典型加油机-软管-锥套组合体的全尺寸构型和缩比构型进行了数值模拟,通过多个算例验证了本方法的可信性。通过将非定常CFD方法与基于气动建模的尾迹流场动态插值方法结合,可将后者的计算精度提高至与非定常CFD方法相当,同时将计算量减小2个数量级以上,从而实现了计算精度和效率的兼顾。

空中加油对接过程软管-锥套动态特性

建立了加油软管-锥套系统的动态数学模型,并利用该模型进行空中加油对接过程模拟。在加油机尾流场中,根据牛顿运动定律,推导定长度软管-锥套系统的运动学方程和动力学方程;建立了变长度的软管-锥套模型来控制对接过程软管-锥套的稳定性,对软管-锥套动态特性进行了分析。在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,在不同的飞行条件下对模型进行数字仿真验证。仿真结果与国内外公开试飞数据相吻合,验证了模型的正确性。所建模型可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等。

软管弯矩对空中加油软管-锥套建模影响分析

空中加油对接过程中,对软管-锥套的动力学行为的研究是空中加油过程建模的关键之一。为研究软管弯矩对软管-锥套系统动力学建模的影响,基于多刚体动力学,在质量-弹簧阻尼模型的基础上,建立了一种包含软管的弯曲和线弹性特性的动力学模型,分析了弯矩对软管影响的机理以及不同情况下弯矩对锥套扰动的影响。数值仿真结果验证了弯矩因素对软管-锥套系统动力学建模的必要性。

空中加油复杂环境下软管-锥套动态响应分析

流场扰动下空中加油机软管-锥套的动态特性会直接影响加油任务的成功率和飞行安全。首先基于绝对节点坐标法建立了考虑截面变形和旋转的软管-锥套多体动力学模型;然后引入加油机尾流场特性数据,计算了软管-锥套不同工况下的拖曳平衡位置,计算结果与风洞试验符合性良好,验证了算法准确性,且与传统有限元模型相比,计算效率明显提高;最后研究了软管-锥套在大气紊流、阵风扰动等复杂环境下的动态响应。结果表明:软管-锥套平衡位置主要受飞行动压影响,相较于大气紊流,阵风扰动对软管-锥套稳定性影响更大。

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。

空中加油最佳对接初始偏差位置

为提高软式空中加油对接成功率,寻找降低头波影响的对接策略,建立受油机头波影响下的软管-锥套6自由度动力学模型,利用飞行试验数据验证模型的稳态特性和动态特性;研究对接阶段受油机以不同速度进近时,头波影响下的锥套运动特征,定义了“最佳对接起始偏差位置”的概念;研究表明:对接前,受油机在锥套后7 m以外时,将受油插头对准“最佳对接起始偏差位置”并直线向锥套靠近,能最大程度降低头波对对接的影响;依据工程计算结果,提出“调整靠近-等待-对接”的受油机对接进近策略。

软式加油数值仿真与风洞试验结果相关性

加油软管-锥套的气动稳定特性是影响软式加油对接成功率的主要因素,数值仿真和风洞试验是模拟软管-锥套收放过程、获取软管-锥套气动稳定特性、优化加油装置设计、发展加油对接技术的主要手段。采用基于气动建模的软管-锥套多体动力学方法对1:1全尺寸和1:11缩比模型的软管-锥套气动稳定特性开展了数值仿真模拟,基于动力学相似准则和OptiTrack光学测量方法对1:11缩比模型的软管-锥套气动稳定特性开展了风洞试验模拟,并对不同工况下锥套下垂量的数值仿真和风洞试验结果进行了对比分析及相关性研究。结果表明:1:11缩比模型的数值仿真与风洞试验结果一致性良好,验证了基于气动建模的软管-锥套多体动力学仿真方法的正确性;1:1全尺寸和1:11缩比模型的锥套下垂量归一化仿真结果在数值上存在明显差异,在随来流速度变化的规律上具有一致性,表明尺寸效应不可忽略,目前所建立的缩比软管-锥套气动稳定性风洞试验技术并不完备,需进一步开展尺寸效应修正研究。

软式空中加油头波效应建模与仿真

针对软管-锥套式空中加油系统在进行对接时,受油机在接近锥套时因其头波效应会对锥套产生气动影响,导致加剧锥套摆动、增大对接难度的问题,提出了一种受油机头波流场建模方法。基于势流理论,利用数学公式法对F-18战斗机的头波效应建模,结合软管-锥套系统动力学模型和加油机尾流场模型进行空中加油对接过程的数值仿真,并与NASA的飞行试验结果进行对比。仿真结果证实了该建模方法的有效性。