对空战飞行阶段滚转性能要求的分析研究

简单总结、概述了各种飞行品质规范对战斗机滚转操纵性能的要求(主要针对空战[CO]飞行阶段)。根据各规范对飞机滚转性能要求的指标参数,探讨其合理性。并结合国内外一些典型机种的具体情况进行了分析研究,指出了各种规范对滚转性能要求的不足之处。通过对试飞数据和计算结果与各规范进行对比分析和研究,最后认为美国规范MIL—F一8785C的要求相对是比较合理的,但该规范对滚转性能的要求未考虑跨音速区的影响和随飞行高度的变化,因而该要求在跨音速区和高空可能过严。     

滚转轴操纵灵敏度与动稳定性分析

在国军标的基础上,结合试飞实际和理论分析,深入研究了滚转模态时间常数过小的不利影响,提出了改进方法,并且结合试飞实际对该方法进行了验证。结果表明:适当调整滚转操纵灵敏度可以提高滚转模态时间常数,从而避免在横向小杆量操纵中飞机出现持续锯齿状滚转的现象,提高了飞行品质。该项研究为完善滚转轴飞行品质评价提供了有价值的参考。     

对战斗机空战时滚转操纵效能的新要求

本文根据米格-19等机种的滚转操纵效能,分析了美国MIL-F-8785B(ASG)飞行品质规范对战斗机空战飞行阶段滚转性能中φ_(1.0)=90°要求存在的某些明显的不合理性。提出了修改建议,此建议可供战斗机滚转性能的设计、试飞、验收的参考,也可作为修订飞行品质规范的参考。根据最近美国颁发的MIL-F-8785C中关于滚转操纵效能要求作了修改,充分表明此修改建议的合理性。     

旋翼转速变化对直升机操纵品质影响分析

针对直升机旋翼转速设计问题,对变旋翼转速直升机飞行品质进行了研究。以某变旋翼转速直升机为研究对象,建立了无铰刚性单旋翼直升机飞行动力学模型,并参照ADS-33E-PRF飞行品质规范,计算了样例直升机在悬停以及前飞(30 m/s)时不同旋翼转速状态下的操纵带宽、相位延迟、姿态快捷性和轴间耦合等操纵品质指标,分析得到不同速度下旋翼转速变化对直升机操纵品质的影响。结果表明,旋翼转速降低对滚转与俯仰姿态变化飞行品质有不利影响,对小幅度偏航姿态变化飞行品质没有影响,对中等幅度偏航姿态变化有利,对直升机轴间耦合有不利影响。     

飞机飞行品质规范的新进展——对美国MIL-F-8785C的评述

本文在指出美国最近颁发的军用规范——有人驾驶飞机的飞行品质(MIL-F-8785C)与原规范8785B 主要修订点的同时,着重分析其更改的依据,从而对8785C 作一简要的评述。8785C 中的滚转操纵效能的要求和大气扰动二个部分,根据国内、外有关科研资料作了较详细的评价,通过分析认为,8785C 对滚转操纵效能的要求和大气扰动的要求是更为合理,同时也进一步证实了1980年作者在飞行力学专业组第三次会议上提出的“对战斗机空战阶段滚转操纵效能”的建议的正确性。文章最后强调在飞行品质研究中,随着飞行控制系统的发展,地面飞行模拟器建设的重要性。     

差动平尾和方向舵辅助滚转的横航向数学模型研究

为了解决高速飞行时副翼效率不足的问题 ,现代战斗机在横航向操纵中广泛采用了差动平尾和方向舵辅助滚转 ,这样适用于常规操纵飞机的横航向运动方程已不能应用于此类飞机。本文重新推导了针对此类飞机的横航向运动方程和传递函数 ,并对模型进行了验证。可以为飞行品质分析、飞行模拟和空战仿真提供可用的数学模型。     

滚转振荡指标在再入无人飞行器上的应用研究

深入研究了飞行品质规范中滚转振荡指标的物理意义,探讨了以侧滑相位描述滚转振荡指标的机理,分析了影响滚转振荡指标边界的三个因素。针对再入无人飞行器各飞行阶段,分析了滚转振荡指标的适用性。最后,基于方向舵交叉控制可以减小滚转速率振荡幅值比的控制策略,针对再入无人飞行器对滚转振荡指标的边界进行了初步拓展,为再入无人飞行器飞行品质指标的制定提供了一种思路。     

飞机滚转运动的控制余度与重构效能

论证了独立操纵的左右平尾使飞机滚动运动具有较大的控制余度,它增加了飞机正常飞行时的滚转力矩,在飞行中副翼出故障时可进行补偿重构,从而提高了滚动通道的余度等级和飞行的安全性,为减少滚转通道的余度配置提供了依据,通过针对操纵面失效和卡死两类故障的重构设计和仿真也证实了上述结论,同时,初步比较说明了自修复飞控系统在上述故障下的任务可靠性和基本可靠性均高于传统控制系统。     

中等展弦比飞翼布局无人机后缘射流滚转控制

飞翼布局飞行器有望依靠射流主动流动控制技术实现无舵面飞行以改善隐身特性，但鲜有针对中等展弦比（3～4.5）战术级飞翼的相关研究。本文为中等展弦比飞翼布局无人机设计环量控制激励器取代传统副翼，开展全机数值模拟和飞行试验研究，探究后缘环量控制射流的滚转控制能力。数值模拟使用压力入口边界并考虑射流动量贡献的气动力，实现对飞翼绕流和激励器内流耦合模拟和整机气动特性预测。数值模拟研究表明，射流的滚转控制能力随射流动量系数线性增长，且未产生显著的横航向或横纵向耦合力矩。飞行试验结果表明，环量控制激励器实现了平均滚转角速率25.5～26.7 （°）/s，最大滚转角速率40.1 （°）/s，最大滚转角83.9°的控制效果。     

俯仰敏捷性评估与影响因素研究

建立了现代高机动性能战斗机俯仰敏捷性仿真计算数学模型和机动飞行时的操纵动作，以Ｆ－１６战斗机为例，计算并讨论了初始飞行状态以及飞行控制系统参数对战斗机俯仰敏捷性的影响。结果表明，选择适当的飞行状态，有利于更好地发挥飞机的俯仰敏捷性；降低飞机整体系统的阻尼，将有利于提高飞机的俯仰敏捷性；控制系统有关参数的设计，除考虑飞行品质要求外，还需综合考虑飞机敏捷性等方面的要求。     

A Nonlinear Tracker Using Attitude Measurements

The subject of this paper involves tracking the present position of a maneuvering aircraft as well as predicting its future position. A tracking filter is developed that uses aircraft attitude angles (yaw, pitch, roll) in addition to the usual radar measurements. Computer simulation of tracker performance when tracking violently maneuvering aircraft indicates that a dramatic improvement is obtained by using attitude information. The approach taken is to develop a 12-or 15-state extended Kalman filter that models both translational and rotational degrees of freedom. By measuring and estimating attitude it is possible to approximately determine the magnitude and direction of the force system acting on the vehicle and therefore determine vehicle linear acceleration. Knowledge of acceleration is then used to improve the estimate of present and future position of the vehicle being tracked. Simulation of a T-38 aircraft performing a 5 g turn indicates that the new tracker produces maximum trajectory prediction errors that are 36 percent of the errors experienced by more conventional trackers.     

卫星拒止情况下低精度惯导系统航姿算法研究

在卫星拒止情况下,低精度MEMS惯导系统由于惯性器件性能较差,无法长时间保持姿态精度。从重力矢量及飞行器的动力学特性出发,提出了一种基于动态检测和Kalman数据融合的航姿算法。该算法从导航与飞控一体化的理念出发,实时判断飞行器机动和飞控状态,在低动态时利用Kalman滤波器对水平加速度和惯性解算的姿态角进行数据融合,估计和修正水平姿态误差,从而提高水平姿态精度。经过飞行仿真验证,该算法可有效完成飞行器的动态检测,并保证在系统机动情况下水平姿态误差在2°以内。     

利用转移矩阵进行姿态控制

传统欧拉角控制方法在处理大姿态角机动时往往出现奇异和交联问题。针对这一问题对欧拉角的跳变现象进行了讨论,并从飞行器实际姿态与需求姿态之间的空间关系入手,给出了一种消除欧拉角跳变现象的有效方法－转移矩阵法,仿真计算表明,该方法在大型航天器的姿态控制中可以有效地消除欧拉角奇异、交联和跳跃现象,在欧拉角跳变的情况下仍然能够实现对飞行器的控制。     

An adaptive attitude algorithm based on a current statistical model for maneuvering acceleration

A current statistical model for maneuvering acceleration using an adaptive extended Kalman filter(CS-MAEKF) algorithm is proposed to solve problems existing in conventional extended Kalman filters such as large estimation error and divergent tendencies in the presence of continuous maneuvering acceleration. A membership function is introduced in this algorithm to adaptively modify the upper and lower limits of loitering vehicles' maneuvering acceleration and for realtime adjustment of maneuvering acceleration variance. This allows the algorithm to have superior static and dynamic performance for loitering vehicles undergoing different maneuvers. Digital simulations and dynamic flight testing show that the yaw angle accuracy of the algorithm is 30% better than conventional algorithms, and pitch and roll angle calculation precision is improved by 60%.The mean square deviation of heading and attitude angle error during dynamic flight is less than3.05°. Experimental results show that CS-MAEKF meets the application requirements of miniature loitering vehicles.     

Asymptotic Reproducibility in Nonlinear Systems and Attitude Control of Gyrostat

A control law is presented for asymptotic function reproducibility in a class of nonlinear-systems such that the output of the system asympotically tends to a given function. The controller consists of a prefilter and a servocompensator. Based on this result, a nonlinear feedback control law for the attitude control of a satellite containing symmetric rotors, in a circular orbit, is derived. In the closed-loop system, given trajectories of pitch, yaw, and roll angles are asymptotically followed, and set point control of attitude is accomplished. Digital simulation results are presented to show the capability of the nonlinear controller.     

基于开环补偿的飞机偏航角控制系统设计及仿真

飞机侧向姿态运动的有关侧向力、力矩具有较强耦合性,且基于副翼、方向舵对侧向运动实施控制,侧向运动这些特点必然导致侧向控制系统设计的复杂性。为设计飞机偏航角侧向姿态控制系统,首先,基于飞机侧向运动的动力学方程组,建立了飞机侧向姿态控制系统全面运动结构图;然后,在分析全面运动结构图基础上,基于开环补偿原理,设计了一种飞机偏航角侧向姿态控制系统,即通过引入交叉传动比,将滚转通道的γ信号引入偏航通道,通过调节来实现基本协调转弯的控制结构方案;最后,在Matlab平台下,对所设计的飞机偏航角侧向姿态控制系统进行了大量仿真研究。仿真结果显示,通过调节可减弱飞机滚转运动和偏航运动的耦合影响,基于开环补偿的飞机偏航角侧向姿态控制系统是合理可行的。     

基于模糊自适应卡尔曼滤波的大气数据辅助姿态算法

 针对中低精度航姿参考系统(AHRS)在机体机动时不能利用加速度计修正水平姿态,以及噪声统计特性随实际工作情况变化的问题,提出了一种基于模糊自适应卡尔曼滤波的大气数据辅助姿态解算的方法。首先,考虑大气数据系统和航姿参考系统的优势,利用真空速、攻角和侧滑角等大气数据信息对非重力加速度进行补偿,以辅助水平姿态解算;其次,基于模糊自适应卡尔曼滤波原理,对观测模型的参数进行估计和修正,以实现水平姿态的最优估计;最后,选取某型飞机的试飞数据进行仿真验证。仿真结果表明,该方法可使飞机的水平姿态估计精度达到1.3°,且在偏差较大时有明显的纠偏作用。因此,相对于无机动加速度补偿和常规卡尔曼滤波来说,该方法能够更好地进行姿态估计,具有一定的实用价值。     

基于能量最优的敏捷遥感卫星在轨任务规划

针对敏捷遥感卫星对多个离散观测点在轨自主任务规划问题,在考虑姿态运动方程耦合性的基础上,将问题分解为空间资源调度问题和连续最优控制问题,进而提出了一种结合伪谱法和遗传算法的混合求解算法。该算法针对基于行商问题(TSP)模型建立的空间资源调度问题模型,选用二维编码结构对观测顺序和相对观测时间进行实数编码,并采用遗传算法求解观测序列和观测时间;针对判断观测时间可行性时涉及的时间最优控制问题、以及姿态转移过程中涉及的最小能量消耗问题,将其归结为连续最优控制问题,并基于Gauss伪谱协态变量映射定理,采用Gauss伪谱法进行求解。通过与基于单纯遗传算法的规划算法进行对比试验,本文所提出的基于伪谱法和遗传算法的混合求解策略针对目标问题,在典型工况下姿态转移过程中能量消耗降低60%。     

敏捷导弹六自由度动力学建模与仿真

研究了敏捷导弹六自由度导弹动力学建模和仿真问题，首先给出了用于拦截器的姿控脉冲发动机和用于空空导弹敏捷转弯的反作用喷气控制系统的力学模型，然后给出了带干扰（包括风的干扰）的具有大迎角大姿态机动能力的敏捷导弹的六自由度动力学模型，最后利用上述模型对先进空空导弹的越肩发射进行了仿真，并给出了部分结果。该模型除了可以进行一般的导弹动力学仿真外，尤其适用于空空导弹敏捷转弯（含越肩发射），高空弹道导弹拦截器的大姿态机动等的仿真计算。     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.