[发明专利]一种弹性乘波体高超声速飞行器仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器建模领域，具体涉及一种弹性乘波体高超声速飞行器仿真方法，其为一种在考虑弹性振动、变截面惯性矩以及气动加热效应的情况下对乘波体高超声速飞行器建模与仿真方法。

背景技术

吸气式高超声速飞行器具有直接从大气中吸取氧气而不需携带氧化剂的特点，它可以降低空中运输的费用、提高有效载荷量。此外，它具有远程快速响应、大机动性、大生存概率和自由进入空间的潜在优势，目前已有美国等国家进行过吸气式高超声速飞行器的地面试验或飞行试验。从九十年代开始，乘波体外形成为吸气式高超声速飞行器的研究热点。

众所周知，飞机的主要升力来源于机翼上表面低压区产生的吸力。吸气式高超声速飞行器则不同，它的机翼用于控制飞行器俯仰和滚转姿态，而不是用来产生升力。吸气式高超声速飞行器的主要升力来源于机身下表面的分布高压作用。这个高压区是自由流受到飞行器前端产生的激波压缩而产生的。乘波体高超声速飞行器采用一体化计的方法使得整个飞行器就像一台飞行中的发动机，即飞行器机身前体作为发动机的压缩部件，机身后体作为发动机的喷管。为减小高超声速飞行阻力而采用的细长机身容易产生弯曲变形和振动，吸气式高超声速飞行器的结构弹性变形不容忽视。

吸气式高超声速飞行器的上述特点导致它的飞行动力学具有显著的气动/推进/弹性耦合特性。这个新动力学特性对吸气式高超声速飞行器的总体设计和控制系统设计都非常关键。然而，在经典的飞行动力学模型中，这些新特性不能得到正确的处理。因此，为吸气式高超声速飞行器建立恰当的动力学模型十分重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何在考虑飞行器质量分布不均匀以及气动加热效应的情况下，准确求解飞行器弹性振动的偏微分方程，并在此基础上建立反映出飞行器气动/推进/弹性耦合特性的乘波体高超声速飞行器模型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种弹性乘波体高超声速飞行器仿真方法，该方法适合对于乘波体飞行器进行建模和仿真，其特征在于：包括以下几个步骤：

(1)考虑气动加热和变截面惯性矩的影响，建立高超声速飞行器自由梁结构弹性模型；

(2)利用“模态叠加法”求解弹性振动方程，求得每个模态的固有频率、阻尼比和固有振型，在此基础上得到乘波体飞行器的弹性振动广义坐标方程；

(3)根据给出的乘波体飞行器结构参数，用计算流体学的方法得到飞行器的气动力和发动机推力；

(4)在推力、气动力、气动弹性分析的基础上，建立高超声速飞行器刚体-弹性耦合模型，然后进行乘波体飞行器仿真。

进一步的，所述的步骤(1)中，根据给定的乘波体飞行器结构尺寸和质量分布，考虑到机体中间粗、两段细，容积和大部分质量集中于质心周围，将飞行器等效为质心固定的变截面悬臂梁，由此可得飞行器弹性振动的偏微分方程：