软管弯矩对空中加油软管-锥套建模影响分析

空中加油对接过程中,对软管-锥套的动力学行为的研究是空中加油过程建模的关键之一。为研究软管弯矩对软管-锥套系统动力学建模的影响,基于多刚体动力学,在质量-弹簧阻尼模型的基础上,建立了一种包含软管的弯曲和线弹性特性的动力学模型,分析了弯矩对软管影响的机理以及不同情况下弯矩对锥套扰动的影响。数值仿真结果验证了弯矩因素对软管-锥套系统动力学建模的必要性。     

空中加油软管锥套组合体甩鞭现象动力学建模与分析

软管锥套组合体特殊的刚-柔-液耦合结构使其甩鞭现象动力学特性极为复杂,尚无法准确建模分析,严重制约了现有抑制措施的有效性,大大限制了空中加油对接的成功率和安全性。为分析甩鞭现象的动力学特性,基于集中参数的多刚体动力学,提出一种包含软管弹性且长度可变的软管锥套组合体运动模型。软管被抽象为由无摩擦铰链相互串联的若干变长度刚性连杆,各连杆质量和受力假设集中于铰链处。同时考虑软管弯曲恢复力、软管收放、加油机牵连运动、重力、定常流、大气扰动以及加油机尾流等内外部因素,推导出迭代形式的软管锥套组合体运动方程。通过数值仿真,对不同对接速度、不同软管长度和恒力弹簧控制方式等因素对甩鞭现象动力学特性的影响进行分析。结果表明,在对接速度柔和、软管长度较长时,对接诱发的甩鞭现象程度较轻。恒力弹簧控制方式诱发类似简谐振动形式的甩鞭现象,根源在于软管收放控制范围有限,回卷滞后性明显无法匹配受油机对接速度。     

空中加油对接过程软管-锥套动态特性

建立了加油软管-锥套系统的动态数学模型,并利用该模型进行空中加油对接过程模拟.在加油机尾流场中,根据牛顿运动定律,推导定长度软管-锥套系统的运动学方程和动力学方程;建立了变长度的软管-锥套模型来控制对接过程软管-锥套的稳定性,对软管-锥套动态特性进行了分析.在Matlab/Simulink仿真平台下搭建模型,在不同的飞行条件下对模型进行数字仿真验证.仿真结果与国内外公开试飞数据相吻合,验证了模型的正确性.所建模型可用于有人机空中加油训练模拟和无人机自主空中加油仿真等.     

不同对接速度下软式加油管锥套运动特性数值模拟研究

采用CFD数值模拟的手段,模拟了飞机在不同对接速度下加油锥套的运动情况。空间离散采用了Osher格式,紊流模型采用了S-A一方程紊流模型,动网格采用了适合柔性变形的基于Delauney图的动网格技术,运用"刚杆-球铰"模型离散方法对软管锥套系统进行建模,建立了软管多体系统模型并得到其运动控制方程。计算结果表明,不同的对接速度对锥套的运动有较大的影响,低于3m/s时,锥套向上飘移并且伴有周期性摆动;当以3m/s速度进行对接时,加油锥套存在向上移动,飘移距离在0.6m左右,但周期性的振荡表现较小。本文的结果为该类飞机加油的对接速度提供参考。     

动量环式主动增稳加油锥套建模与飘摆抑制

空中加油软管-锥套受大气紊流等干扰产生飘摆运动,加大了对接过程的不确定性和危险性。创新设计了一种自旋动量环式主动增稳加油锥套,在锥杯处集成一对偏置动量环实现飘摆抑制,避免传统翼舵式锥套回收时舵面与加油机吊舱口撞击风险。基于拉格朗日方程建立了考虑动量环旋转的多级串连单摆系软管-锥套系统运动模型,分析了阵风及大气紊流干扰对锥套飘摆运动特性的影响,提出了基于动量环控制的飘摆抑制方法,仿真表明该方法能够有效缩短阵风干扰下锥套收敛至稳态位置的时间,减小大气紊流干扰下锥套飘摆幅度,削弱高频动态响应。     

空中加油对接过程的动力学建模与仿真

空中加油的成功与否主要依赖于加油锥套与受油插头的顺利对接,对对接过程中产生的动力学行为的研究是实现顺利对接的前提。利用多刚体系统动力学建立对接过程的动力学模型,求解出加油锥套与受油装置间的广义速度;并依据建立的接触动力学模型,得到局部接触点间的相对速度。基于非线性连续碰撞理论,提出对接过程中碰撞力的计算方法,并在机械系统动力学仿真软件ADAMS的环境下,构建加油锥套和受油装置的对接虚拟样机。通过对虚拟样机的动力学仿真,得到了对接过程中的碰撞力及速度响应曲线,同时,得出能够实现成功对接时各参数的具体范围。结果表明,制约对接成功的主要参数是初始相对速度、加油锥套的俯仰角和相对偏距。该研究对空中加油的对接和受油机的导航控制具有重要的意义。     

软式空中加油受油机头波数值仿真分析

针对软式空中加油对接过程中受油机头波加剧软管锥套飘摆、降低对接成功率的问题,建立了受油机三维模型,利用Delaunay方法自下向上生成非结构网格.通过计算ONERA M6三维翼型表面压力分布和压力系数,验证了三维Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型的有效性.在此基础上对不同飞行条件下受油机头波进行静态数值计算,分析了头波随马赫数和迎角的变化规律,并通过仿真解释了头波影响下软管锥套的飘摆原因,预测了对接时锥套的运动趋势.     

软式加油过程中软管鞭打现象数值模拟研究

对空中加油过程中软管锥套系统产生的鞭打现象进行了数值模拟.流场计算中的空间离散采用Osher格式,紊流模型采用S-A一方程模型;运用“刚杆-球铰”模型离散方法对软管锥套系统建模,建立了软管多体系统模型并推导其运动控制方程;采用一类基于相邻单元搜索算法,通过搜寻软管节点所在加油机尾流场网格的宿主单元,建立软管微段气动力与流场的联系.运用方法对软管锥套系统的动态特性进行了仿真,结果与国内外飞行试验结果相吻合.     

空中加油探头载荷的数值计算方法

文中用中心差分法和MATLAB对空中加油的动力学过程进行了数值计算,计算出了极限情况下的受油探头载荷。在软管和锥套的对接过程中,如果绞盘系统出现故障,将不能及时收回多余的软管,软管在自重作用下,会出现松弛,进而导致一种软管"抽打"现象,这时会形成很严重的探头载荷。文中的计算对加油吊舱和受油探头的设计具有重要的指导意义。     

大气紊流对空中加油软管锥套运动的影响

为研究大气紊流对软管锥套运动的影响,将空中加油软管质点离散化,从软管、稳定伞空间受力出发,建立了软管锥套的动力学模型,并对其运动进行了仿真计算和分析。仿真结果表明,在晴空大气紊流作用下,锥套会产生高频振荡。高度一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机速度的增大而减小;真速一定,加油机高度小于11 km时,锥套运动幅值和高度没有单一的线性关系,当高度大于11 km后,锥套运动幅值随高度的增加而减小;表速一定时,大气紊流对软管锥套运动的影响随加油机高度的增大而减小。     

Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system and integral sliding mode backstepping control for the hose whipping phenomenon

Dynamic modeling of a hose-drogue aerial refueling system（HDARS） and an integral sliding mode backstepping controller design for the hose whipping phenomenon（HWP） during probe-drogue coupling are studied. Firstly, a dynamic model of the variable-length hose-drogue assembly is built for the sake of exploiting suppression methods for the whipping phenomenon.Based on the lumped parameter method, the hose is modeled by a series of variable-length links connected with frictionless joints. A set of iterative equations of the hose＇s three-dimensional motion is derived subject to hose reeling in/out, tanker motion, gravity, and aerodynamic loads accounting for the effects of steady wind, atmospheric turbulence, and tanker wake. Secondly,relying on a permanent magnet synchronous motor and high-precision position sensors, a new active control strategy for the HWP on the basis of the relative position between the tanker and the receiver is proposed. Considering the strict-feedback configuration of the permanent magnet synchronous motor, a rotor position control law based on the backstepping method is designed to insure global stability. An integral of the rotor position error and an exponential sliding mode reaching law of the current errors are applied to enhance control accuracy and robustness. Finally,the simulation results show the effectiveness of the proposed model and control laws.     

空中加受油安全对接控制验证要素分析

空中加受油是一个复杂的系统工程,影响因素与加油机、受油机都密切相关,由于大型加油机(软式) 上单翼、大翼展、高垂尾和大型起落架整流包的特殊布局使得空中编队加受油对接过程中,加油机、软管锥套与 受油机之间相互的气动干扰变得十分复杂。通过分析国内外大型加油机、先进受油机的主要特点,总结空中加 受油对接过程中加油机、受油机之间会产生的气动干扰,研究空中加受油编队典型体系及空中加受油编队程 序,提出可能对空中加受油安全对接控制产生影响的验证要素,并对这些影响要素展开分析。安全对接控制验 证要素的分析可以为后续确定软式空中加受油安全对接流程提供理论指导,为空中加受油对接速度的选取提 供依据。     

加油机喷流对受油机的气动干扰机理

针对软式平台(HDB)、软式吊舱(HDP)和硬式平台(FB)3种典型加油方案研究了喷流对加油流场的影响。采用结构化多块网格和雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,通过带涡轮动力模拟器(TPS)和翼身组合体构型DLR-F6对数值方法进行了验证。通过对3种典型的空中加油方案进行数值模拟,并和不考虑喷流效应的空中加油流场进行对比,详细研究了不同加油方案中加油机喷流对受油机气动特性的干扰作用。结果表明:受油机升力系数、阻力系数以及低头力矩与无喷流相比均有增大。受油机在硬式平台加油方案中受喷流影响最小,但其横航向气动特性在软式吊舱加油方案中受加油机喷流影响较大。喷流对受油机的气动干扰主要表现在提高受油机来流动压、改变局部迎角以及对周边气流的引射作用,这些因素会导致受油机表面压力与无喷流相比发生较大变化。其中,局部迎角的改变是由喷流的加速效应及其对尾涡的耗散作用导致的。     

Modeling and simulation of bow wave effect in probe and drogue aerial refueling

In a probe and drogue aerial refueling system, the bow wave of the receiver aircraft will produce a strong aerodynamic effect on the drogue once the receiver follows the drogue at a close distance. It is a major difficulty of docking control in the probe and drogue refueling. This paper analyses the bow wave effect and presents a simple method to model it. Firstly, the inviscid flow around the receiver is modeled based on the stream function defined by basic stream singularities.Secondly, a correction function is developed to eliminate the error caused by the absence of air viscosity. Then, the aerodynamic coefficients are used to calculate the induced aerodynamic force on the drogue. The obtained model is in an analytical form that can be easily applied to the controller design and the real-time simulations. In the verification part, computational fluid dynamics(CFD)simulation tests are conducted to validate the obtained flow fields and aerodynamic forces. Finally,the modeling method is applied to an F-16 receiver aircraft in a previously developed autonomous aerial refueling simulation system. The simulations results are analyzed and compared with the NASA flight-test data, which demonstrates the effectiveness of the proposed method.     

硬式空中加油装置运动建模与仿真研究

针对由加油机和硬式加油伸缩管构成的硬式空中加油多体动力学系统,在已有的加油机运动仿真模型的基础上,考虑加油机的尾流场扰动作用,采用基于拉格朗日方程的速度传递矩阵法,建立了系统运动仿真模型。通过运动仿真,对伸缩管的动态特性和系统的紊流扰动响应特性进行了研究。仿真结果表明,硬管的动态响应特性较差、阻尼偏小,且俯仰运动与偏航运动耦合,需控制系统予以改善并实现解耦操纵;轻微的紊流对硬管的姿态具有较明显的扰动作用,通过稳定加油机的航迹,能够显著改善硬式加油装置的抗紊流特性。     

Modeling of a space flexible probe–cone docking system based on the Kane method

Recent developments in micro- and nano-satellites have attracted the interest of the research community worldwide. Many colleges and corporations have launched their satellites in space. Meanwhile, the space flexible probe–cone docking system for micro- and nano-satellites has become an attractive topic. In this paper, a dynamic model of a space flexible probe–cone docking system, in which the flexible beam technology is applied, is built based on the Kane method. The curves of impact force versus time are obtained by the Lagrange model, the Kane model, and the experimental method. The Lagrange model was presented in the reference and verified by both finite element simulation and experiment. The results of the three methods show good agreements on the condition that the beam flexibility and the initial relative velocity change. It is worth mentioning that the introduction of vectorial mechanics and analytical mechanics in the Kane method leads to a large reduction of differential operations and makes the modeling process much easier than that of the Lagrange method. Moreover, the influences of the beam flexibility and the initial relative velocity are discussed. It is concluded that the initial relative velocity of space docking operation should be controlled to a certain value in order to protect the docking system. a 2014 Production and hosting by Elsevier Ltd. on behalf of CSAA BUAA.     

无人机空中对接中的视觉导航方法

无人机空中加油是一种能有效提升巡航里程及续航时长的技术手段,近距相对位置和姿态测量技术是其中需要解决的关键问题之一。针对该问题研究了无人机自主空中对接中的视觉导航方法,完成了近距对接的地面实验。首先,利用移动对接图标和无人机的GPS/INS信息进行无人机的粗略导航,完成会合;再充分利用视觉图标的颜色与形状信息,通过颜色分割选取目标可能区域,在这些区域中进行快速椭圆检测,针对椭圆检测算法存在误检测及边缘不重合的问题,提出了椭圆检测与轮廓检测相结合的方法,能够更准确地描述图标边缘;最后,利用改进的OI算法进行相对位姿的估计,实现近距的精确导航。实验结果表明,无人机在较高速度下的跟踪效果良好,采用的视觉导航方法能够满足空中对接中精度与实时性的要求。     

对失控航天器在轨服务的自适应滑模控制器设计

为实现对自由翻滚的失控目标航天器进行在轨服务,基于二阶滑模控制算法设计了相对位置与姿态耦合的自适应控制器。考虑相对转动对相对平动的耦合作用,建立了两航天器对接端口间相对位置与姿态耦合的动力学模型,并在此基础上设计了自适应Super twisting控制器,以减弱已知界限的有界干扰所产生的震颤效应,使闭环系统在有限时间内收敛到平衡点。利用李雅普诺夫方法证明了有界干扰下的闭环系统稳定性,并对收敛时间的上界进行了估计。仿真结果表明,与Super twisting算法相比,所设计的自适应二阶滑模控制器对参数不确定性及线性增长有界干扰具有较强的鲁棒性,且控制精度满足在轨服务的任务需求。     

Simulation Environment for Machine Vision Based Aerial Refueling for UAVs

The design of a simulation environment is described for a machine vision (MV)-based approach for the problem of aerial refueling (AR) for unmanned aerial vehicles (UAVs) using the USAF refueling method. MV-based algorithms are implemented within the proposed scheme to detect the relative position and orientation between the UAV and the tanker. Within this effort, techniques and algorithms for the visualization the tanker aircraft in a virtual reality (VR) setting, for the acquisition of the tanker image, for the feature extraction (FE) from the acquired image, for the feature matching (FM) of the features, for the tanker-UAV pose estimation (PE) have been developed and extensively tested in closed-loop simulations. Detailed mathematical models of the tanker and UAV dynamics, refueling boom, turbulence, wind gusts, and tanker's wake effects, along with the UAV docking control laws have been implemented within the simulation environment. This paper also presents the results of a study relative to the use of passive markers versus feature extraction for the problem of estimating in real time the UAV-tanker relative position and orientation vectors.