[发明专利]一种大包线强机动飞行器动力学高精度仿真方法

摘要

一种大包线强机动飞行器动力学高精度仿真方法，属于飞行器动力学与控制领域。该方法首先建立了大包线强机动飞行器的刚体弹性耦合动力学高阶模型，建模过程仅考虑小幅线性振动假设，充分考虑了飞行器大包线强机动飞行过程中显著且快时变的气动力和力矩、发动机推力和力矩、重力、姿态强机动、气动舵快速运动与结构弹性振动之间的相互耦合影响，模型包含了全面的高阶非线性项，刚体运动与弹性振动之间的耦合影响项、姿态机动和气动舵快速运动对弹性振动和姿态的影响项。因此，该高阶模型能够真实反映大包线强机动飞行器真实状态，利用该高阶模型进行仿真分析，可以用于验证飞行器设计的合理性，验证结果较传统模型更准确可靠。

主权项

1.一种大包线强机动飞行器动力学高精度仿真方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立大包线强机动飞行器的刚体弹性耦合动力学高阶模型，所述刚体弹性耦合动力学高阶模型包括地面坐标系下的飞行器平动动力学方程：飞行器本体坐标系下的飞行器转动动力学方程：飞行器本体坐标系下的飞行器弹性振动动力学方程：A_bg为地面坐标系到本体坐标系的坐标转换矩阵；A_bi为惯性坐标系到本体坐标系的坐标转换矩阵；A_brk为气动舵k本体坐标系到飞行器本体坐标系的坐标转换矩阵；A_bv为速度坐标系到本体坐标系的坐标转换矩阵；A_ei为惯性坐标系到地球坐标系的坐标转换矩阵；A_gb为本体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵；A_ge为地球坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵；A_grk为气动舵k本体坐标系到地面坐标系的坐标转换矩阵；A_og为地面坐标系到弹道坐标系的坐标转换矩阵；A_rkb为飞行器本体坐标系到气动舵k本体坐标系的坐标转换矩阵；A_vo为弹道坐标系到速度坐标系的坐标转换矩阵；d_bg为b系原点相对g系原点的矢径在b系中的表示；d_dg为b系原点相对g系原点的矢径在g系中的表示；d_gi为g系原点相对i系原点的矢径在i系中的表示；d_i为b系原点相对i系原点的矢径在i系中的表示；d_rk为气动舵k本体系原点在b系中的未变形矢径；F_bg为飞行器弹性振动对飞行器转动的耦合系数矩阵；F_frk为飞行器弹性振动对气动舵k转动的耦合系数矩阵；g为重力加速度；J_bb为飞行器相对b系的转动惯量矩阵；J_rk为气动舵k相对本体坐标系的转动惯量矩阵；M为飞行器的总质量；M_rk为气动舵k的质量；为飞行器弹性振动的等效质量矩阵；P_bg为飞行器转动对飞行器平动的耦合系数矩阵；P_f为飞行器弹性振动对飞行器平动的耦合系数矩阵；P_rk为气动舵k转动对飞行器平动的耦合系数矩阵；Q_b为作用于飞行器的气动力矩和推力产生的力矩；Q_bc为发动机推力产生的力矩在飞行器本体坐标系下的表示；Q_bq为作用于飞行器上的气动力矩在飞行器本体坐标系下的表示；Q_dc为发动机推力在飞行器本体坐标系下的表示；Q_dq为气动力在飞行器本体坐标系下的表示；Q_rk为气动舵的驱动力矩和作用于气动舵上的干扰力矩对弹性振动产生的广义力；为气动分布力对飞行器弹性振动模态坐标的广义力；q_dq为气动分布力在飞行器体坐标系上的表示；R_{bg_rk}为气动舵k转动对飞行器转动的耦合系数矩阵；r_b为飞行器机身上任一质点dm相对i系的矢径；r_rk为气动舵k上任一质点dm相对i系的矢径；为飞行器本体的模态振型函数矩阵；为在飞行器本体与发动机连接点处的值；为在飞行器本体与气动舵k连接点处的值；η_b为飞行器弹性振动的模态坐标列向量；ρ_b为飞行器机身上任一质点dm相对b系坐标原点的未变形矢径；ρ_rk为气动舵k上任一质点dm相对本体系的矢径；ρ_rk0为气动舵k的质心在其本体系中的表示；ω_{bg_b}为b系相对g系的角速度在b系中的表示；ω_{bi_b}＝ω_{bg_b}+A_biω_{gi_i}为b系相对i系的角速度在b系中的表示；ω_{gi_i}为g系相对i系的角速度在i系中的表示；ω_{rkb_rk}为r_k系相对b系的角速度在r_k系中的表示；ω_{rkg_rk}＝ω_{rkb_rk}+A_rkbω_{bg_b}为r_k系相对g系的角速度在r_k系中的表示；ω_{rki_rk}＝ω_{rkb_rk}+A_rkb(ω_{bg_b}+A_biω_{gi_i})为r_k系相对i系的角速度在r_k系中的表示；Λ_b为飞行器弹性振动的特征频率对角阵；ξ_b为飞行器弹性振动的粘性阻尼对角阵；i系为惯性坐标系，b系为飞行器本体坐标系，r_k系为气动舵k本体坐标系，g系为地面坐标系；(2)利用步骤(1)得到的高阶模型，根据飞行器位置、速度、姿态、角速度、弹性振动模态坐标以及模态坐标速度的初始值以及除这些量以外的所有其他参数的设计值进行飞行器刚体弹性耦合动力学仿真，得到飞行器位置、速度、姿态、角速度以及弹性振动模态坐标随时间变化的关系曲线，用于从动力学角度验证飞行器设计的合理性。