[发明专利]一种飞行器耦合动稳定性特征分析方法

说明书

本发明提供了一种飞行器耦合动稳定性特征分析方法，通过将非定常气动力降阶模型与刚体动力学方程在状态空间耦合求解特征矩阵特征根的方法进行动稳定性特征预测，可以高效准确的获取飞行器的耦合动稳定性特征。可用于对航空航天飞行器，特别是非轴对称复杂布局飞行器的多通道耦合动稳定性特性的计算分析。能够在保证预测精度的同时大幅减少计算代价，从而易于开展飞行器动稳定性特性的定性、定量研究，获得对飞行器设计有指导意义的设计方向。

技术领域

本发明涉及飞行力学领域，特别是涉及一种高超声速复杂布局飞行器的耦合动稳定性特征分析方法。

背景技术

在航天工程中，对于轴对称钝头体布局飞行器，我国都是用静导数和动导数判断飞行器稳定性，在工程实践中没有出现动态耦合特性。而高超声速高升阻比复杂布局为了获得良好的升阻比表现，其气动布局呈现扁平、非轴对称特征，在飞行过程中会出现动态耦合现象，这一问题导致了2010年美国HTV-2高超声速滑翔飞行器的试飞失败。

目前，研究飞行器耦合动态特性常用的一种方法是计算流体力学/刚体动力学(CFD/RBD)耦合数值求解，在求解过程中，主要的计算耗费来自于非定常CFD计算，在高超声速飞行条件下，需要使用大型计算机进行几个月的计算才能完成一个设计状态下的动稳定特性评估，在飞行器设计过程中，还需要获得其在整个飞行包线内的动稳定特性，对每个设计点进行CFD/RBD耦合是不切实际的。通过结合工程气动力模型和刚体动力学模型构建简化的飞行力学分析模型，可以大大降低计算量，但是在临近空间高超声速飞行时会出现强粘性干扰现象，使得目前绝大多数基于无粘假设的简化气动力模型精度较差。

发明内容

本发明的目的是要提供一种可以高效准确的获取飞行器的耦合动稳定性特征的分析方法。

特别地，本发明提供一种飞行器耦合动稳定性特征分析方法，包括如下步骤：

步骤100，给定“3211”输入信号，通过CFD求得气动力输入输出信号；

步骤200，通过输入输出信号辨识非定常气动力降阶模型；

步骤300，将离散空间的非定常气动力模型转化为连续空间的状态空间形式；

步骤400，将刚体动力方程转化为连续空间的状态方程；

步骤500，结合非定常气动力降阶模型与刚体动力方程，获得耦合动稳定性分析模型；

步骤600，求解特征矩阵特征根，根据结果即可分析出当前飞行器耦合动稳定性特征。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中的非定常气动力降阶模型结构为：

式中y(k)表示第k时间步的广义气动力矢量，u(k-i)表示第k-i个时间步的广义位移输入矢量；A_i和B_i为待辨识的系数矩阵；na和nb分别为输出和输入的延迟阶数，表征气动力的非定常效应。

在本发明的一个实施方式中，当na＝0且nb＝1时，所述非定常气动力降阶模型结构本质上是一种定常模型；当na＝0且nb＞1时，所述非定常气动力降阶模型结构本质上是一种准定常模型；当na＞0且nb＞1时，所述非定常气动力降阶模型结构本质上是一种非定常模型。

在本发明的一个实施方式中，所述非定常气动力降阶模型结构为(1)式中第k个时间步的响应看作是离第k时间步最近的前na个输出和nb个输入的线性组合。

在本发明的一个实施方式中，所述步骤200中得到的非定常气动力模型在与刚体运动方程耦合前先转化为状态空间形式，转化过程如下：

令模态位移ξ＝u，模态气动力系数f_a＝y，定义如下状态向量：