軟管錐套式空中加油系統(tǒng)建模與特性分析

王海濤 董新民 竇和鋒 薛建平

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安710038)

基于軟管錐套式空中加油系統(tǒng)(HPARS，Hose-Paradrogue Aerial Refueling System)的軟式自主空中加油(AAR，Automated Aerial Refueling)技術(shù)已受到國內(nèi)外高度關(guān)注［1］.然而目前軟式AAR研究通常以隨機(jī)噪聲模擬錐套運(yùn)動［2－3］.此類HPARS運(yùn)動模型無法反映軟管錐套力學(xué)特性和真實(shí)運(yùn)動規(guī)律，使軟式AAR研究思路局限于相對位置的預(yù)測、跟蹤及控制，而對接過程中HPARS動態(tài)響應(yīng)及其對無人機(jī)對接影響的研究極為不足，針對簡化模型開發(fā)的目標(biāo)識別、對接控制等方法的有效性必然存在較大局限.

為模擬HPARS動態(tài)特性，國外分別從實(shí)驗(yàn)測試和理論分析兩方面提出了多種建模方法.

實(shí)驗(yàn)測試方面，主要采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD，Computational Fluid Dynamics)、風(fēng)洞、試飛等方法.波音公司［4］采用CFD方法研究了KC-10加油機(jī)軟管氣動特性.文獻(xiàn)［5］通過CFD和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測試了錐套氣動特性.NASA Dryden飛行研究中心在F/A-18軟式AAR項(xiàng)目中完成了一系列HPARS風(fēng)洞和試飛試驗(yàn)［6］.這些研究為 HPARS動態(tài)建模提供了大量氣動特性數(shù)據(jù)，但工作量大、成本過高，局限于穩(wěn)態(tài)特性分析，實(shí)驗(yàn)范圍有限.

理論分析方面，主要采用有限元、集中參數(shù)法等原理.文獻(xiàn)［7］從材料力學(xué)角度提出了一種長度恒定的非線性三維彎曲梁有限元軟管錐套模型.該方法理論推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算量巨大，難以滿足實(shí)時(shí)性要求.文獻(xiàn)［8］采用集中參數(shù)法在鉛垂面內(nèi)建立了軟管錐套二維運(yùn)動模型.Kamman［9］根據(jù)集中參數(shù)法提出了一種多級串聯(lián)“球桿”三維運(yùn)動模型.該方法反映了軟管錐套動態(tài)特性，但軟管……