翼尖铰接组合式飞行器多飞行构型下协调机动操纵性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31026

固体力学与飞行器总体设计

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翼尖铰接组合式飞行器多飞行构型下协调机动操纵性分析

朱恩桐¹^,², 周洲¹^,², 王睿¹^,²(), 王涵¹^,², 王贵晨¹^,²

^1.西北工业大学航空学院，西安 710072
^2.飞行器基础布局全国重点实验室，西安 710072

收稿日期:2024-08-02 修回日期:2024-09-20 接受日期:2025-01-10 出版日期:2025-02-06 发布日期:2025-02-06
通讯作者: 王睿 E-mail:wangrui@nwpu.edu.cn
基金资助:
陕西省自然科学基础研究计划(2023-JC-YB-010)

Coordinated maneuverability analysis of wingtip-docking compound aircraft in multiple flight configurations

Entong ZHU¹^,², Zhou ZHOU¹^,², Rui WANG¹^,²(), Han WANG¹^,², Guichen WANG¹^,²

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.National Key Laboratory of Basic Layout of Aerospace Vehicles，Xi’an 710072，China

Received:2024-08-02 Revised:2024-09-20 Accepted:2025-01-10 Online:2025-02-06 Published:2025-02-06
Contact: Rui WANG E-mail:wangrui@nwpu.edu.cn
Supported by:
Natural Science Basic Research Program of Shannxi(2023-JC-YB-010)

摘要/Abstract

摘要：

为研究组合式飞行器协调机动操纵能力，从连接数量和飞行构型2个角度出发探索了组合式飞行器的机动能力变化问题。首先采用CFD方法建立组合体飞行器气动力数据库，导入采用准坐标形式的拉格朗日多体动力学关系得到翼尖铰接链式组合飞行器动力学模型并在各类代表性构型下求解配平问题。然后提出姿态等效体和三轴等效加速度的定义并说明其描述组合体飞行器操纵性的合理性。最后构建最优化问题，在避免诱发相对运动的约束下计算2/3/4/5机组合体，各自在3类飞行构型（水平构型、上下反构型、手风琴构型）下分别计算纵向、横向、航向三轴最大可达加速度。从本质上，构型变化改变惯量分布矩阵和操纵效能矩阵从而影响操纵性能；体数增加影响飞行器展向尺度和相对运动自由度，在避免诱发相对运动的约束下影响执行机构最大可用操纵量。所得到的操纵性结论能为组合式飞行器飞行构型选择和控制方案设计提供理论依据。

关键词: 飞行力学, 组合式飞行器, 操纵性, 变构型飞行器, 可达集, 最优化

Abstract:

To study the coordinated maneuverability of the wingtip-docking compound aircraft， this paper explores the changes in maneuverability from the perspectives of unit aircraft connection number and configuration. A Computational Fluid Dynamics （CFD） method is used to establish an aerodynamic database for the compound aircraft. This data is then employed to develop a dynamic model of the wingtip-hinged chain-like combined aircraft， based on a quasi-coordinate form of the Lagrange multi-body dynamics. The control inputs required for trimming in various configurations have been calculated. Next， the concept of an attitude equivalent body is proposed and its reasonableness as a reference standard for maneuverability explained. Finally， an optimization problem is constructed to evaluate the maximum attainable equivalent acceleration in the longitudinal， lateral， and yaw axes for combinations consisting of 2/3/4/5 unit aircraft in three configurations. The study identifies characteristic changes， explains the reasons， and provides a theoretical basis for configuration selection and control law design.

Key words: flight mechanics, compound aircraft, maneuverability, reconfigurable aircraft, reachable set, optimization

中图分类号:

V212.1

朱恩桐, 周洲, 王睿, 王涵, 王贵晨. 翼尖铰接组合式飞行器多飞行构型下协调机动操纵性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(14): 231026.

Entong ZHU, Zhou ZHOU, Rui WANG, Han WANG, Guichen WANG. Coordinated maneuverability analysis of wingtip-docking compound aircraft in multiple flight configurations[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(14): 231026.

图/表 18

图 1

表1

图 2

表2

图 3

图 4

表3

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参考文献 24

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
质量/kg	0.75
X轴主惯性矩/（kg·m²）	0.023
Y轴主惯性矩/（kg·m²）	0.027
Z轴主惯性矩/（kg·m²）	0.05
X-Z轴惯性积/（kg·m²）	0.006
机翼面积/m²	0.32
襟副翼升力操纵系数	1.01
升降舵力矩操纵系数	1.2

连接数量/气动力系数	升力系数C_L₁	升力系数C_L₂	升力系数C_L₃	俯仰力矩系数C_m₁	俯仰力矩系数C_m₂	俯仰力矩系数C_m₃	滚转力矩系数C_l₁	滚转力矩系数C_l₂	滚转力矩系数C_l₃	升力线斜率C_La₁	升力线斜率C_La₂	升力线斜率C_La₃
二机	0.869 5			-0.048 7			-0.023 9			4.821
三机	0.877 2	0.961 1		-0.051 0	-0.051 7		-0.024 8	0		4.853	5.186
四机	0.882 8	0.972 7		-0.051 6	-0.056 6		-0.025 1	-0.000 8		4.872	5.210
五机	0.885 1	0.976 5	0.982 0	-0.052 0	-0.0574	-0.056 6	-0.025 2	-0.001 0	0	4.876	5.218	5.230

连接数量/构型	“一”构型	上“V”构型	下“V”构型	“W”构型
二机
三机
四机
五机

翼尖铰接组合式飞行器多飞行构型下协调机动操纵性分析

Coordinated maneuverability analysis of wingtip-docking compound aircraft in multiple flight configurations

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