硬式空中加油装置动力学建模与仿真

以硬式空中加油装置为对象,结合动量矩定理研究了能够反映硬式空中加油装置"伸缩管-加油机"之间的动力学关系,建立质心质量变化的伸缩管数学模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果表明,建立的动力学模型能够描述伸缩管自身的耦合特性、内管伸缩对系统的影响,以及伸缩管和加油机之间的相互作用。     

硬式空中加油已对接系统建模与仿真

以硬式空中加油已对接系统为对象,考虑了加油机、伸缩管外管、内管以及受油机之间的相互作用。建立了描述系统的坐标系,定义了广义坐标与广义速率,用凯恩(Kane)法推导得到系统的动力学模型,对所建模型进行仿真。结果表明,建立的模型能够反映已对接系统中加油机、伸缩管外管、内管和受油机间的相互影响,该方法能为系统仿真等应用提供较为精确的动力学模型。     

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。     

硬式加油伸缩杆非线性解耦控制仿真研究

多输入/输出、耦合、非线性硬式空中加油伸缩杆解耦控制是加油控制系统设计的关键。当系统满足一定条件时,采用逆系统方法将原系统等效为线性系统,并在此基础上对解耦系统进行PI控制,以实现满意的控制效果。通过MATLAB/SIMULINK建立了伸缩杆模型并设计了解耦控制器,仿真结果表明该解耦方法很好地消除了系统间的耦合作用,能够满足工程设计的需要。     

受油机飞行边界数值认定仿真研究

受油包线范围的确定对硬式空中加油的成功对接、安全加油具有重要意义.本文提出了一种不同干扰等级下受油机飞行边界数值认定方法.首先,通过解算KC-135加油机的硬管包线给出受油机的加油可行范围.其次,在分析受油机纵向及横侧向运动模型的基础上,设计受油机多模态双闭环控制系统,使受油机速度、姿态角、位置等状态量能够稳定保持.最...     

考虑扰流的舰载机终端进场线性模型

回收舰载机需要精确的终端路径和姿态控制,舰载机线性小扰动模型是这一阶段系统分析和控制器设计的必要工具,它需要足够准确地描述在主要操纵输入和进场路径大气紊流作用下舰载机的动态特性。首先使用代数线性化方法建立舰载机终端进场纵向运动的小扰动模型,仿真证明该模型能精确描述无风条件下进场舰载机对控制指令的响应,但通常的建模气流扰动影响的方法不能正确反映舰尾大气紊流对舰载机进场速度的干扰。针对该问题,重点研究了垂向风引起的进场舰载机轨迹方向上的力瞬变,提出了量化舰载机地速扰动的表达式以优化线性模型参数。最后,通过完成舰载机动力学模型在不同风场下的开环仿真以及在舰尾流场中的终端进场闭环仿真,验证了改进的线性模型的有效性,表明它适用于复杂流场下着舰控制系统的性能分析和设计。     

空中加油系统的建模与控制技术综述

空中加油已经成熟应用超过半个世纪,但其建模与控制技术仍是航空界的研究热点与难点之一。综合大量文献,回顾了空中加油的发展历程和战略价值所在,比较研究了2种加油方式各自的优劣,总结了近年开展的系统建模和控制相关的研究成果。基于硬式加油与软式加油的功能互补之效,提出了借助研制大型运输机的契机发展硬式加油技术的观点。通过研究国内已经开展的相关工作及其不足之处,论证了开展系统建模与控制专项研究的必要性与积极意义。结合硬式加油系统的特点,提出了建模时应该综合考虑系统多刚体、多构型、强扰动与不确定性、受弹性形变与弹性振荡影响等特点,并提出了与之对应的伸缩管姿态控制、对接状态应力自动补偿、对接过程协同控制、抑制弹性振荡影响、半物理实验平台开发等关键问题。     

输入-输出非线性反馈线性化方法在硬式空中加油控制系统设计中的应用

 通过对硬式空中加油技术的研究,建立了硬式加油伸缩杆数学模型,结果表明该伸缩杆系统为一个多输入-多输出(MIMO)、耦合、非线性系统。这样解耦控制就成为系统设计的关键。当系统满足可解耦条件时,采用一种基于输入-输出(I/O)非线性反馈线性化的微分几何方法,输出与等效新输入之间呈现线性微分方程关系,选择合适的反馈形式可使伸缩杆的姿态控制解耦。解耦后,伸缩杆就可分解为俯仰和滚转方向两个相互独立的单输入-单输出(SISO)线性子系统。在MATLAB中建立了伸缩杆及其解耦模型,并进行了仿真研究。结果表明该解耦方法很好地消除了系统间的耦合作用,能够满足工程设计的需要。     

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。     

硬式空中加油机发展趋势及设计技术分析

空中加油技术在一定程度上体现了一国空军实力,该技术一直受到广泛关注。本文综述了硬式空中 加油机的发展情况,提出了硬式空中加油机的划代概念。结合五代空中加油机的特点和性能,给出硬式空中加油机的主要技术特征,指出硬式空中加油技术的发展趋势,总结出硬式加油装置研究的总体布局设计技术、结构和机构设计技术、控制系统设计技术等关键技术,为未来装备变革提供技术支撑。     

空中加油伸缩管装置控制系统研究

论述了空中加油伸缩管控制系统的基本组成和工作原理,提出了控制系统设计中需要考虑的一些关键问题,进行了两种控制模态的控制律初步设计,并给出了关键技术问题的解决措施,最后进行了理论分析和仿真验证。仿真验证结果表明,所设计的控制系统正确、有效,可为我国发展硬式空中加油机提供参考。     

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.     

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。     

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.     

软式空中加油对接约束力不确定性分析

软式空中加油过程中锥套和受油管连接处的最大约束力,可造成锥套和受油管的脱离以及受油管的断裂,甚至引发安全事故。为了研究输油过程中软管锥套组合体的动力学特性,利用ALE-ANCF输油管道模型和多体建模方法,建立了加油系统刚-柔-液耦合的多体动力学模型;为了获取参数不确定条件下对接约束力的期望范围,采用融合多项式混沌方法和动力学模型的不确定性快速分析方法,得到了不同高度下飞行速度、输油软管长度和两机相对运动速度存在不确定性时的对接约束力期望范围。数值仿真结果表明,当受油机和加油机存在相对运动时,受油管在特定截面处的最大压力、剪力和弯矩的期望值将会分别大幅提高50%、272%和772%。     

空中加油调度的研究

研究了执行大规模空中加油任务的加油机群和受油机群的匹配方案，以完成总耗油量最少（或总耗时最短）为目标函数，有杉球面上航线约束的方法优化确定每次加油的最优加要用克尼格效能矩阵优化确定空中加油的调度方案。方案中了各种加油机基地和受油机基地的相对位置，受油机的安全可加油区域，最大可用加油机数目和最大需用加油机数目等约束条件。本研究可为实际应用提供理论依据。     

无人机空中加油过程中基于机器视觉的相对位姿估计(英文)

本文主要研究了在无人机空中自主加油过程中,利用安装在无人机上的摄像机得到的视觉图像确定无人机与加油机之间相对位置关系的算法。本文以经典的OI算法为基础展开研究,文章主要分为三个部分:首先简要介绍了OI算法的基本实现方法,指出了在OI算法中,旋转矩阵R的初值的选择对于位姿估计的精度有一定的影响。其次主要介绍了一种线性算法用于获取R初值的方法,同时针对空中加油过程中无人机与加油机之间的相对姿态角变化较小的特点,提出了可以将旋转矩阵R的初值设为单位矩阵。论文最后在仿真环境下对相关算法展开实验研究,同时研究了在高斯噪声环境下特征点在加油机表面的分布对位姿估计结果的影响,论文得到如下的结论:1、针对空中加油过程中无人机与加油机之间的相对姿态角变化较小的特点,在高斯噪声环境下,以单位矩阵作为旋转矩阵的初值得到的位姿估计的结果好于以线性算法为初值的结果。2、在相同的高斯噪声环境下,特征点之间的距离越大时得到的位姿估计结果的精度越高。3、特征点的数量对相对位姿估计的精度没有明显影响。     

可调桨距冲压空气涡轮气动特性实验与数值分析

冲压空气涡轮风洞实验主要目的是采用相似准则,模拟空中加油工作状态,测量涡轮输出功率,分析涡轮气动特性。实验分别使用励磁发电机和加油泵作为测功器,通过调桨变距并测量最大输出功率。气动特性实验表明在风洞气流速度比加油机最小飞行速度低16%的条件下,冲压涡轮输出功率即可满足加油需要。论文还采用高数值稳定性代数Baldwin-Lomax湍流模型模拟冲压涡轮全三维混合型流场,分析流场主要气动特性,讨论桨叶表面载荷的分布。数值模拟结果显示在冲压空气涡轮桨叶近轮毂区域需要进一步优化。      

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。     

基于多指标综合评判法的空中加油机作战效能评估

针对空中加油机作战效能评估问题,构建了空中加油机作战效能评估指标体系,并对空中加油机的作战效能指标数据进行挖掘,利用信息熵概念求得各指标属性的重要度,并归一化处理为各效能指标的权重系数,克服了传统权重系数确定方法的主观性;然后,建立了基于理性解法的空中加油机作战效能多指标综合评价模型;最后,通过实例,对几种现役典型的空中加油机作战效能进行了评估,并得到了计算结果,同时验证了该模型的有效性。