单滑块滚喷模式变质心飞行器模型及其结构布局参数的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种变质屯、飞行器W及飞行器的参数的设计方法。
【背景技术】
[0002] 变质屯、控制技术是通过主动移动飞行器内部的活动质量体，改变系统质屯、的位 置，引起作用在飞行器上的外力矩发生改变来获得期望的控制性能，从而达到对飞行器机 动控制的目的。
[0003] 根据实现方式的不同，可W分成两类；（1)变质屯、配平控制（Moving-masstrim control，MMTC) ; (2)变质屯、滚动控制（Moving-massrollcontrol，MMRC)。变质屯、配平控 制（MMTC)主要应用在具有轴对称结构的飞行器上，它是通过内部活动质量体的运动来产 生配平攻角，使飞行器产生机动。变质屯、滚动控制（MMRC)主要应用在具有结构不对称的飞 行器上，如具有弯头结构外形的飞行器。它是通过结构不对称来获得大的横向过载，通过移 动活动质量体沿径向运动使系统质屯、偏离纵向面，在横向力的作用下产生滚转力矩，从而 控制升力面的方向。
[0004] 根据变质屯、控制的原理，可W发现变质屯、控制方式较气动驼面和侧喷发动机该两 种传统的控制方式具有W下优越性：
[0005] 1.变质屯、控制机构完全在飞行器内部工作，有利于飞行器获得良好的气动外形。
[0006] 2.变质屯、控制可W避免气动驼面控制带来的一系列问题，如超高声速飞行时的驼 面烧蚀问题等。
[0007] 3.对于高速运动的再入飞行器可W充分利用气动力进行机动，该样既节省了能量 上的消耗，同时又能获得很大的控制力和控制力矩，避免了采用侧喷发动机方式产生的控 制力矩大小与燃料消耗之间的突出矛盾
[0008] 变质屯、控制的特点使得它获得了广泛的应用，如大气层外飞行器、水下飞行器和 大气层内飞行器。其中大气层内飞行器的变质屯、控制是当前研究的热点，当前对变质屯、控 制技术的研究主要集中在再入飞行器和拦截弹上，国内外研究学者从建模、机理和性能分 析W及制导控制系统设计等方面开展了工作。
[0009] 由于变质屯、控制结构上的优点，最初的研究多集中在高超声速（高超音速，指物 体的速度超过5倍音速）再入飞行器上，如弹道导弹弹头的末段控制等，直接利用高速飞行 产生的气动力作为控制力即可达到机动飞行的目的，避免高速飞行时采用驼面控制带来的 一系列问题。目前绝大部分对于变质屯、控制技术的研究主要采用的内部滑块布局为两活动 质量体+差动幅翼该种模式（如图1所示）。通过两活动质量体沿不同方向的平动来达到 对俯仰和偏航通道的控制，由于单纯依靠质量体的运动无法满足对滚动通道的控制要求。 因此，为了保证控制性能，需要额外的执行机构来确保滚动通道稳定性，差动幅翼作为一种 可选择的方式在很多文献中得到了研究，但是该又在一定程度上破坏了弹体外形结构的完 整性，当飞行器在大气层内高速飞行时，该种由于结构外形不对称产生的烧蚀现象仍然存 在。如果弹体的外形是一个完整的对称体，外部只有弹翼等固定部件，完全通过弹体内部的 活动部件W某种形式运动达到对弹体的控制目的，无疑是飞行器机动控制的一大飞跃。
[0010] 研究表明，活动质量体的质量比越大飞行器产生的机动能力就越强，但是当质量 比增大时驱动也将变得困难，同时动力学特性也将变得异常复杂，因此受多方面因素限制， 活动质量体的质量比不能太大，在该种情况下弹体是主体。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是为了解决传统的高超声速飞行器的气动驼烧蚀问题，W及传统变 质屯、飞行器内部滑块布局复杂问题。
[0012] 单滑块滚喷模式变质屯、飞行器模型，包括两个固定翼、弹体和滚喷发动机，两个固 定翼对称设置在弹体的两侧；它还包括弹体内部的活动体；活动体为锥形体，活动体的锥 形体尖部与弹体头部通过活动连接点〇1连接；弹体尾部设有导轨，活动体的锥形体根部与 弹体尾部的导轨的〇2点滑动连接；其中导轨上的0 2点在伺服力的作用下沿与弹体固连的 导轨绕〇1做相对运动。通过改变活动体与弹体的相对位置使得系统质屯、发生变化，从而在 气动力的作用下获得不同的配平攻角，产生期望升力的大小；而在滚喷发动机的作用下，弹 体绕纵轴旋转，从而使得升力位于所需的过载平面；该控制模式的最大优点是可W完全摆 脱弹体外部的活动部件，仅靠内部活动部件的相对运动即可达到控制飞行器姿态运动的目 的；所述系统均指代变质屯、飞行器；本发明的活动体质量占整个系统质量大部分，而弹体 作为受驱动体，同样也能达到机动控制目的，通过活动体上的执行机构来控制弹体的运动， 此时，弹体完全可W抛开外部的活动部件，保证了弹体具有完整的气动外形。
[0013] 一种针对所述单滑块滚喷模式变质屯、飞行器模型的单滑块滚喷模式变质屯、飞行 器的结构布局参数的设计方法包括下述步骤：
[0014] 步骤一；设计飞行器的动力学模型：
[0015] 设飞行器的质屯、为S，弹体的质屯、为b，活动体的质屯、为P;所述系统均指代变质屯、 飞行器；系统的自由度包含变质屯、飞行器的=维平动和=维转动，W及活动体的二维转动； 将整个系统看成由弹体和活动体组成的多刚体系统，〇1，化为两部件的链接点；动力学模型 的建立利用动量矩定理W及动力矩定理来建立；飞行器的动力学模型如下：
[0023]步骤二：根据动力学方程确定单滑块滚喷模式的变质屯、飞行器的稳定区域，确定 活动体的质屯、参数和质量参数；设计选取合理的Up和ABP使得不等式ypAep〉Xi5-Xg成立， 从而保证飞行器的俯仰运动稳定；其中，Up为活动体的质量比，ACP为活动体质屯、和弹体 质屯、的距离差，Xb和X 0分别表示弹体质屯、和压屯、到飞行器头部的距离；
[0024]步骤根据线性化得到的俯仰通道动力学方程确定活动体的控制性能，得到配 平攻角与活动体参数的关系表达式，从而确定活动体参数对控制性能的影响能力；设计合 理的Up改变活动体的结构参数，设计合理的AW来改变弹体的静稳定性；进而改变系统的 静稳定裕度，获得不同的配平攻角，得到不同的稳态控制性能；
[00巧]步骤四：确定俯仰通道的控制回路开环传递函数，根据该传递函数确定活动体参 数对动态性能的影响，从而优化合理的活动体参数；设计合理的Up解算出不同的零极点， 进而控制飞行器的动态性能。
[0026] 由于本发明取消了传统的变质屯、飞行器的差动幅翼执行机构，解决了由于气动驼 在高超声速情况下的烧蚀问题。相比传统变质屯、飞行器内部滑块布局，本发明的内部部件 结构简单，而且活动体的参数更易设计，使飞行器更容易实现工程化；同时，由于本发明将 质量体（活动体）进一步放大当作一个主体，其质量占整个系统质量大部分，而弹体作为受 驱动体，同样也能达到机动控制目的，通过活动体上的执行机构来控制弹体的运动，此时， 弹体完全可W抛开外部的活动部件，保证了弹体具有完整的气动外形。而且本发明活动体 足够大，实际应用中，在活动体上设置驱动机构更加容易实现。
【附图说明】
[0027] 图1为采用为两活动质量体+差动幅翼的变质屯、飞行器；
[0028] 图2(a)为本发明变质屯、飞行器后视图；
[002引图2化）为本发明变质屯、飞行器侧视图；
[0030] 图3为稳定区域图；
[0031] 图4为静稳定裕度因素影响效果图；
[0032] 图5为活动体转角因素影响效果图；
[0033] 图6为质屯、差因素影响效果图；
[0034] 图7为活动体质量比因素影响效果图；
[00巧]图8为零极点分布图；
[0036] 图9为不同质量比的攻角响应效果图。
【具体实施方式】
[0037]
【具体实施方式】一，结合图2图3说明本实施方式，单滑块滚喷模式变质屯、飞行器模 型，包括两个固定翼I、弹体II和滚喷发动机III，两个固定翼I对称设置在弹体II的两侧； 它还包括弹体II内部的活动体IV;活动体IV为锥形体，活动体IV的锥形体尖部与弹体II头 部通过活动连接点〇1连接；弹体II尾部设有导轨V，活动体IV的锥形体根部与弹体II尾部 的导轨V的化点滑动连接；其中导轨V上的〇2点在伺服力的作用下沿与弹体II固连的导轨 V绕〇1做相对运动。通过改变活动体IV与弹体II的相对位置使得系统质屯、发生变化，从而 在气动力的作用下获得不同的配平攻角，产生期望升力的大小；而在滚喷发动机III的作用 下，弹体II绕纵轴旋转，从而使得升力位于所需的过载平面；该控制模式的最大优点是可W 完全摆脱弹体II外部的活动部件，仅靠内部活动部件的相对运动即可达到控制飞行器姿态 运动的目的；所述系统均指代变质屯、飞行器。
【具体实施方式】 [0038] 二，一种针对单滑块滚喷模式变质屯、飞行器模型的单滑块滚喷模式 变质屯、飞行器的结构布局参数的设计方法包括下述步骤：
[0039] 步骤一；设计飞行器的动力学模型：
[0040