試析無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性與控制

摘 ?要：氣動(dòng)彈性是航天領(lǐng)域的一個(gè)重要概念，早在上世紀(jì)初期飛機(jī)誕生時(shí)，人們就發(fā)現(xiàn)了機(jī)翼的氣動(dòng)彈性問(wèn)題。如果不能有效控制氣動(dòng)彈性，將可能導(dǎo)致機(jī)翼折斷等嚴(yán)重后果。對(duì)于無(wú)人控制的飛行器來(lái)說(shuō)，控制氣動(dòng)彈性的難度更大。基于此，本文就針對(duì)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)彈性問(wèn)題展開(kāi)研究，在闡述其分類和特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)氣動(dòng)彈性的控制展開(kāi)探討，希望能為相關(guān)人士提供些許參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);氣動(dòng)彈性;飛行事故

中圖分類號(hào)：V211.47;V279 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0158-03

Abstract：Aerodynamic elasticity is an important concept in the field of aerospace. As early as the birth of aircraft in the early 20th century，the aeroelastic problem of wings was discovered. If the aerodynamic elasticity is not effectively controlled，it may lead to serious consequences such as wing breakage. For unmanned aerial vehicles，it is more difficult to control aeroelasticity. Based on this，this paper studies the aeroelasticity of UAV. On the basis of describing its classification and characteristics，the control of aeroelasticity is discussed，hoping to provide some reference for the relevant people.

Keywords：UAV;aerodynamic elasticity;flight accidents

0 ?引 ?言

氣動(dòng)彈性是飛行器在航行過(guò)程中，受空氣動(dòng)力以及機(jī)身彈性結(jié)構(gòu)等的相互作用，出現(xiàn)的彈性形變，會(huì)對(duì)飛行器的穩(wěn)定及操控產(chǎn)生明顯影響[1]。如果不能有效控制氣動(dòng)彈性，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼折斷等嚴(yán)重飛行事故，因此氣動(dòng)彈性問(wèn)題是包括無(wú)人機(jī)在內(nèi)的各類飛行器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮的一項(xiàng)關(guān)鍵點(diǎn)。

1 ?無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性及其參與的主要力學(xué)元素

無(wú)人機(jī)因其體積小、制造成本低、生存力強(qiáng)、對(duì)作戰(zhàn)場(chǎng)地環(huán)境要求不高等原因，近年來(lái)得到快速發(fā)展[2]。但越是性能高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無(wú)人機(jī)，其氣動(dòng)彈性問(wèn)題也越加突出。所謂氣動(dòng)彈性，主要就是指飛行器在飛行過(guò)程中，由于空氣動(dòng)力和自身的彈性結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生的彈性形變。氣動(dòng)彈性的生成與進(jìn)展主要有四種力元素參與其中、相互影響。分別為氣動(dòng)力、彈性力、慣性力及阻尼力，其中最為主要的就是氣動(dòng)力和彈性力。彈性形變可導(dǎo)致飛行器機(jī)翼顫振甚至折斷，干擾作業(yè)。因此在不斷加強(qiáng)無(wú)人機(jī)性能、結(jié)構(gòu)的同時(shí)，必須要考慮氣動(dòng)彈性問(wèn)題并加以控制，從而得出性能過(guò)硬、安全穩(wěn)定的高質(zhì)量無(wú)人機(jī)設(shè)備。總之，對(duì)于氣動(dòng)彈性問(wèn)題，需要考慮飛行器的結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力，還要考慮阻尼力和飛行器的材料性能等多方面因素，是一項(xiàng)難度較大的復(fù)雜性問(wèn)題。

2 ?無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性的分類及其特征

2.1 ?無(wú)人機(jī)靜氣動(dòng)彈性

靜氣動(dòng)彈性主要考慮無(wú)人機(jī)本身彈性結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的受力分布情況。當(dāng)無(wú)人機(jī)的飛行速度較慢，那么無(wú)人機(jī)因空氣動(dòng)力帶來(lái)的彈性形變也較小，反之，如果飛行的速度越快，那么無(wú)人機(jī)所受到的彈性形變也就會(huì)越大，在較長(zhǎng)時(shí)間高速狀態(tài)下，就可能導(dǎo)致機(jī)翼振動(dòng)或操作面板無(wú)法正常工作的情況[3]。可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)靜氣動(dòng)彈性主要是因彈性形變所導(dǎo)致的受力載荷失衡，以及兩著相互促進(jìn)，從而引起造成無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行的彈性形變。無(wú)人機(jī)靜氣動(dòng)帶來(lái)的彈性形變進(jìn)展較為緩慢的，所以此種氣動(dòng)彈性往往不用考慮變形速度以及加速度產(chǎn)生的氣動(dòng)力，在進(jìn)行無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)也無(wú)需單獨(dú)計(jì)算這方面的問(wèn)題，研究起來(lái)也要比動(dòng)氣動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單得多，這也正是靜氣動(dòng)彈性的典型特征。

2.2 ?無(wú)人機(jī)動(dòng)氣動(dòng)彈性

動(dòng)氣動(dòng)彈性是因彈性力學(xué)以及空氣動(dòng)力相互耦合所產(chǎn)生的一種非定常過(guò)程，這種現(xiàn)象可細(xì)分為顫振和氣動(dòng)響應(yīng)等幾個(gè)形式。

顫振會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性造成影響，當(dāng)顫振達(dá)到一定程度，或到達(dá)臨界狀態(tài)，可引起自激振動(dòng)，可在很短的時(shí)間內(nèi)造成機(jī)翼破壞或尾翼破壞，引起嚴(yán)重飛行事故[4]。顫振形態(tài)不一，可能為無(wú)人機(jī)整架參與，也可能只是某個(gè)部位參與。顫振的物理關(guān)系十分復(fù)雜，就空氣動(dòng)力方面來(lái)看，主要有兩種特征：

（1）發(fā)生在勢(shì)流之中，而邊界層效應(yīng)以及流動(dòng)分離不參與顫振過(guò)程，這種顫振多見(jiàn)于流線型剖面結(jié)構(gòu)的無(wú)人機(jī)。此種顫振對(duì)于無(wú)人機(jī)的機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生阻尼作用，通常顫振中會(huì)再出現(xiàn)較大的彈性自由度。

（2）和流動(dòng)分離以及漩渦形成存在關(guān)系的顫振，即“失速顫振”。

氣動(dòng)響應(yīng)也是由空氣動(dòng)力、彈性動(dòng)力為主導(dǎo)的一種力學(xué)問(wèn)題，是因無(wú)人機(jī)的彈性結(jié)構(gòu)受到來(lái)自外界干擾的動(dòng)力，并隨時(shí)間變化產(chǎn)生的強(qiáng)迫性振動(dòng)。外界干擾如漩渦、大氣紊流、突風(fēng)等。動(dòng)力響應(yīng)是一種常見(jiàn)的氣動(dòng)彈性，對(duì)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)，特別是結(jié)構(gòu)疲勞方面的設(shè)計(jì)，具有重要影響。

除上述氣動(dòng)彈性的情況外，還有抖振也是當(dāng)前氣動(dòng)彈性研究領(lǐng)域的一項(xiàng)內(nèi)容。在紊流中，無(wú)人機(jī)或者無(wú)人機(jī)中某個(gè)部件可發(fā)生不規(guī)則性的抖振，其中以尾翼抖振最為常見(jiàn)[5]。此外，無(wú)人機(jī)目前已經(jīng)邁入了超音速時(shí)代，超音速無(wú)人機(jī)的機(jī)翼位置的激波以及壓力脈沖，也能夠引起抖振，此種抖振也被稱作抖振-顫振，或者是自激抖振。

3 ?無(wú)人機(jī)氣動(dòng)彈性的控制

針對(duì)氣動(dòng)彈性的控制，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力、飛行器控制以及空氣動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)，和單純的飛行器控制相比，氣動(dòng)彈性的控制更為復(fù)雜、難度更高，且無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中遇到的動(dòng)力影響，會(huì)隨著飛行條件的變化而變化，更增加了控制的復(fù)雜性。首先需要對(duì)氣動(dòng)彈性進(jìn)行計(jì)算，這是實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)彈性控制的基礎(chǔ)。

3.1 ?氣動(dòng)彈性的計(jì)算

氣動(dòng)彈性受到的影響因素較多，且為連續(xù)結(jié)構(gòu)，相關(guān)因素還具有不確定性，因此氣動(dòng)彈性的計(jì)算大多采用近似解的形式，只在一些特殊情況，如在二維流動(dòng)中可得出氣動(dòng)彈性精確解[6]。

在計(jì)算氣動(dòng)彈性的近似解時(shí)主要分兩步，首先為離散化處理，就是把具有一定數(shù)量自由度的等價(jià)結(jié)構(gòu)，來(lái)替換無(wú)限多個(gè)自由度的氣動(dòng)彈性連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而將連續(xù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成方程組，對(duì)于靜氣動(dòng)彈性，會(huì)得出代數(shù)方程形式的方程組。對(duì)于動(dòng)氣動(dòng)彈性，會(huì)得出微分方程（時(shí)間作為變量）。第二個(gè)步驟就是將上一步得出的方程進(jìn)行求解。

對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性問(wèn)題進(jìn)行離散化處理，就是把解的展開(kāi)式通過(guò)函數(shù)有限級(jí)數(shù)進(jìn)行表述，通過(guò)這種方式把氣動(dòng)彈性的本質(zhì)表述出來(lái)。離散化實(shí)質(zhì)上就是把表達(dá)振動(dòng)過(guò)程的偏微分轉(zhuǎn)換為聯(lián)立的常微分方程，實(shí)質(zhì)上將特征值問(wèn)題從微分方程轉(zhuǎn)變?yōu)榇鷶?shù)的形式。特征值主要通過(guò)級(jí)數(shù)來(lái)展開(kāi)，有兩種離散化的方法，分別為加權(quán)余數(shù)法以及瑞利-里茲法。其中的瑞利-里茲法源自變分原理，適宜處理自伴問(wèn)題。而加權(quán)余數(shù)法則有更為廣泛的適用范圍，也無(wú)需借助變分原理，無(wú)論是自伴問(wèn)題還是非自伴問(wèn)題都可以適用，因此建議采用加權(quán)余數(shù)法。Galerkin法就是目前常用的加權(quán)余數(shù)法，普遍適用于一般形式的氣動(dòng)彈性問(wèn)題，包括靜氣動(dòng)彈性和動(dòng)氣動(dòng)彈性，此種方法主要步驟如下：

3.2 ?主動(dòng)顫振控制

求出氣動(dòng)彈性近似解后，以此為導(dǎo)向估計(jì)飛行狀態(tài)，并進(jìn)行控制。主動(dòng)顫振控制是目前常用的控制手段，此種方法的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)求解得出的特征值來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各極點(diǎn)的配置，從而使不穩(wěn)定狀態(tài)得到主動(dòng)控制，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[7]。比如目前比較常見(jiàn)的SISO極點(diǎn)配置、動(dòng)柔度配置等都是按照這種原理實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要先根據(jù)此種原理設(shè)置控制律輸入進(jìn)無(wú)人機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，之后系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制律，在飛行過(guò)程中通過(guò)操控機(jī)翼控制面偏轉(zhuǎn)等方式，實(shí)現(xiàn)平衡，達(dá)到主動(dòng)顫振控制的效果。

3.3 ?LQG控制

LQG全稱為線性二次高斯控制，此種模式考慮到飛行過(guò)程中的不確定因素，以及噪聲的影響，并結(jié)合卡爾曼濾波綜合而來(lái)的控制方法。通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)當(dāng)前的飛行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，將所得參數(shù)通過(guò)LQG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。LQG通常由兩部分構(gòu)成，其一為最優(yōu)狀態(tài)反饋，其二為擾動(dòng)輸入估計(jì)。此種方式有效考慮了飛行過(guò)程中的干擾條件，從而達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)。

4 ?結(jié) ?論

綜上，氣動(dòng)彈性會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，包括穩(wěn)定性、抗干擾性等帶來(lái)的直接影響。當(dāng)前無(wú)人機(jī)已經(jīng)進(jìn)入超音速時(shí)代，氣動(dòng)彈性問(wèn)題更加復(fù)雜。可見(jiàn)在無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)工作中，氣彈問(wèn)題的分析十分重要，因此在設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)時(shí)必須充分考慮氣動(dòng)彈性方面的問(wèn)題，并借助現(xiàn)代信息技術(shù)、控制系統(tǒng)等對(duì)氣動(dòng)彈性進(jìn)行主動(dòng)控制，從而保障飛行安全，提升無(wú)人機(jī)質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：王正任（1990-），男，漢族，吉林人，畢業(yè)于英國(guó)南安普頓大學(xué)，工程師，碩士，研究方向：無(wú)人機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。