高超声速飞行器建模研究

摘 要：该文基于NASPWinged-cone高超声速飞行器模型，研究了高超声速飞行器六自由度模型建立方法，并基于面元法计算的气动力对其纵向模态特性进行了初步研究，了解了高超声速飞行器纵向长短周期特性。该建模方法为初步分析、计算、模拟和表征高超声速飞行器运动规律的研究提供了方法。

关键词：高超声速飞行器 六自由度 纵向模态特性

中图分类号：V475 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0059-02

高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器。我国对高超声速技术的研究还处在起步阶段，正积极研究高超声速飞行器关键技术中的核心问题。

该文主要针对高超声速飞行器的气动特性，进行六自由度仿真模型建立及纵向模态特性分析的初步研究工作。

1 高超声速飞行器六自由度建模

Winged-cone是NASP高超声速飞行器研究的一个标准模型。图1为该高超声速飞行器的示例图[2]。飞机控制由左右升降副翼，，方向舵和鸭翼组成。高超声速飞行器的重心和转动惯量随飞行状态的变化而变，假设其重心只在X轴上变化[3]。

1.1 高超声速飞行器建模

通常综合考虑运动学、动力学、空气动力学、发动机及大气环境等数学模型，建立高超声速飞行器模型。在模型建立之前应进行相应的简化假设：高超声速飞行器为刚体，质量为常数；忽略地球自转，假设地面坐标系为惯性坐标系；忽略地球曲率，假设地球为平面；机体坐标系X轴和Y轴位于高超声速飞行器对称面，且飞机几何外形及质量分布对称；忽略来流压缩性；忽略发动机喷流对机体来流的相互干扰；合外力综合作用于重心[4]。

1.2 高超声速飞行器运动方程

1.3 空气动力学模型

1.4 高超音速飞行器发动机模型

发动机采用文献[6]提供的模型，其推力表达式为：

式中，为空气质量流量；为燃料质量流量；为燃气排气速度；为真空速；为喷管出口截面积；为喷气出口截面静压力；为大气压力。假设发动机喷管出口处燃气完全膨胀，即=，则发动机推力表达式可改为：

1.4.1 大气环境模型

2 高超声速飞行器纵向运动模型的建立及仿真分析

高超声速飞行器模型具有强耦合和强非线性，须对其全状态非线性运动方程进行解耦。在定常平飞状态下，高超声速飞行器的运动可以对纵向运动和横航向运动进行解耦。在气流坐标轴系下，飞行器的飞行速度V、航迹角，俯仰角速度q，迎角和飞行高度h为纵向运动的状态变量。由于定常平飞状态下，高超声速飞行器的滚转角、侧滑角、滚转角速度p以及偏航角速度r都为0，所以其运动方程可简化可简化为：

3 结语

本文基于NASPWinged-cone高超声速飞行器模型，对其六自由度的建模方法进行了研究，通过对其纵向模态特性的初步分析，了解了高超声速飞行器的纵向动态特性，该建模方法可作为初步研究高超声速飞行器操稳特性的基础。

参考文献

[1] 张丽静，刘东升，于存贵，等.高超声速飞行器[J].航空兵器，2010（2）：13-16.

[2] Keshmiri S，Mirmirani M D，Six-DOF modeling and simulation of a generic hypersonic vehicle for conceptual design studies[C]//In：AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit.Norfolk，Virginia，AIAA 2004.

[3] Shaughnessy J D，Pinckney S Z，McMinn J D，Hypersonic vehicle simulation model winged-cone configuration[R].NASA TM2102610，1991.

[4] 杨新，王小虎，申功璋，等.飞机六自由度模型及仿真研究[J].系统仿真学报，2000，12（3）：210-213.

[5] Miele，A.，Flight Mechanics， Theory of Flight Paths[M].Addison-Wesley：-Reading， MA，1962.

[6] Xu H，Minmirani M D， ioannou P A，Adaptive sliding mode control design for a hypersonic flight vehicle[J].Journal of Guidance，Control，and Dynamics， 2004，27（5）.