软管式自主空中加油对接阶段中的建模与控制综述

软管式自主空中加油(PDAAR)在军用和民用上有着十分重要的意义。软管式自主空中加油的对接阶段是所有阶段中精度要求最高和控制难度最大的一个阶段,其建模与控制问题具有代表性和挑战性。首先,介绍了自主空中加油(AAR)的基本概念及意义,并总结了自主空中对接控制的特点和要求。随后,系统性地梳理了AAR对接阶段中的建模和控制问题,概述了国内外文献中研究该问题的方法,并提炼了该领域依旧存在的问题。进一步,简要分析和综述了国内外AAR飞行验证情况。最后,针对建模、控制和决策,从工程实践角度分析并总结了自主对接未来可能的工作,从科学研究的角度总结了6个重点研究的科学问题。     

基于MBD-CFD的软管-锥套空中加油仿真框架

随着无人加油等新兴应用场景的出现,软管-锥套式空中加油技术近年来重新得到了航空工业界的重点关注。使用计算机数值模拟手段对空中加油系统进行流体-动力学仿真,已成为空中加油系统设计、研发和飞行测试评估中的必备手段。一方面,基于工程简化模型的软管-锥套仿真方法的数值模拟精度难以满足实际需求,另一方面,完全基于非定常计算流体力学（CFD）的耦合仿真方法计算量较大,在有限计算资源条件下难以满足快速设计迭代与多参数优化的计算效率需求。通过将多个求解层次的流固耦合分析工具有机结合,建立了基于多体动力学（MBD）和CFD的加油机软管-锥套装置的耦合仿真框架和方法。对典型加油机-软管-锥套组合体的全尺寸构型和缩比构型进行了数值模拟,通过多个算例验证了本方法的可信性。通过将非定常CFD方法与基于气动建模的尾迹流场动态插值方法结合,可将后者的计算精度提高至与非定常CFD方法相当,同时将计算量减小2个数量级以上,从而实现了计算精度和效率的兼顾。     

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。     

空中加油复杂环境下软管-锥套动态响应分析

流场扰动下空中加油机软管-锥套的动态特性会直接影响加油任务的成功率和飞行安全。首先基于绝对节点坐标法建立了考虑截面变形和旋转的软管-锥套多体动力学模型;然后引入加油机尾流场特性数据,计算了软管-锥套不同工况下的拖曳平衡位置,计算结果与风洞试验符合性良好,验证了算法准确性,且与传统有限元模型相比,计算效率明显提高;最后研究了软管-锥套在大气紊流、阵风扰动等复杂环境下的动态响应。结果表明:软管-锥套平衡位置主要受飞行动压影响,相较于大气紊流,阵风扰动对软管-锥套稳定性影响更大。     

基于CFD的软式空中加油锥套气动特性研究

无人机空中加油缺少人为的观测与控制,若要进行自主控制下的空中加油,获取精准的气动数据则十分关键。基于CFD研究了国外某型锥套的气动特性,通过改变锥套支撑臂数量、空速以及稳定伞面积3个因素,构建了不同的三维子模型。利用数值计算分析了其对锥套气动参数的影响,并探究了影响规律。仿真结果表明,支撑臂数量和稳定伞面积均会影响阻力系数,而空速对阻力系数几乎没有影响。该方法可以用来预测影响因素发生变化时锥套阻力系数的变化趋势,为分析锥套气动特性提供了理论依据。     

插头-锥管式空中加油系统加油过程载荷研究

插头-锥管式空中加油系统加油过程载荷是空中加油系统设计的重要战技指标,直接决定着空中加油系统、受油装置、机体结构设计的成败与否。通过对插头-锥管式空中加油系统加油过程载荷形式、研究现状的调研,提出了加油过程载荷研究的关键技术,给出了对应解决措施,为后续研究提供方法和依据,并给出了相关建议。     

空中加油机加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术

软式加油方式中加油软管锥套受气流影响会发生气动不稳定现象,严重影响空中加/受油的成功率和安全性,其中加油机的尾流场是影响软管锥套稳定性的主要因素。本文研究了空中加油机加油软管锥套的气动稳定性风洞试验方法,建立并分析了相似准则,给出了双目系统测量软管锥套位移的具体方法,利用自动舵机实现了加油软管自动收放,形成了完整的加油软管锥套气动稳定性风洞试验技术,并将其应用于某型加油机加油吊舱、中心线平台等部件的选型优化。结果表明,该试验技术能有效模拟处于加油机尾流场下的软管锥套收放过程和固定管长时的气动稳定性,试验获得的锥套下沉量和振动幅值明确了不同加油吊舱、中心线平台构型的优劣性,能够为加油机关键加油部件选型优化及飞行试验提供可靠的试验数据。     

无人机软管式自主空中加油视觉导航技术

近年来,机器视觉技术的迅速发展给无人机自主空中加油提供了一种新思路,克服了传统GPS动态适应能力差的不足。基于双目视觉,提出了一种实用的无人机自主空中加油导航方案,并提出了一种利用深度学习进行检测跟踪配合几何约束进行位姿计算的技术。根据加油机和受油机距离的不同,将导航分为远端导航和近端导航。全程对加油锥套进行检测和跟踪,并在近端进行锥套位姿计算。实验结果表明,该算法满足加油的鲁棒性要求,稳定跟踪锁定目标距离范围大于40m。当与目标距离小于10m时,距离误差优于±10cm。说明本文提出的方法具有较强的应用前景。     

非线性动态逆空中加油自主对接控制

为实现无人机空中加油自主对接控制,建立了尾流影响下的UAV六自由度模型。基于非线性动态逆,设计了空中加油自主对接控制律。在常规非线性动态逆控制律设计的基础上,改进了航迹、姿态、角速率和自动油门等回路。通过设计航迹跟踪控制律和动态逆自动油门,实现了对锥套位置的跟踪和对接;考虑协调转弯约束和爬升速率约束,在设计过程中以姿态角代替气流角,克服了气流角控制带来的幅值、速率过大的问题,使受油机的控制更加稳定。最后通过仿真,验证了动态逆自主对接控制律的有效性。     

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。     

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%。     

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.     

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.     

先进布局飞机空中加油流场特性分析

针对先进布局飞机空中加油出现的问题,综合考虑加油机的加油区、加油机与受油机之间、吊舱锥套与受油机之间的流场特性,对先进布局飞机空中加油中遇到的流场进行了分析.通过理论分析和试飞验证,总结出一套切实可行的先进布局飞机空中对接加油试飞方法.     

飞翼布局无人机舵面分配算法研究

针对某飞翼式无人机飞行过程中出现舵面破损情况,提出了一种具有容错能力的舵面权限动态分配算法。针对舵面无故障和副翼两侧完全破损故障,分析比较了典型舵面分配算法和动态分配算法的性能。分析结果表明:舵面无故障时,在满足约束条件的情况下,由动态分配算法实现的舵面分配其滚转和俯仰操纵力矩可达范围大于由典型舵面分配算法实现的,有利于克服较大的俯仰或滚转干扰,而在升降舵或者副翼出现破损故障时具有更强的容错能力。     

空中加油问题的最优化研究

通过对空中加油在作战使用中的问题进行分析,针对受油机往返各加１次油的情况,给出了空中加油的数学模型,并采用跗算法对问题进行了优化计算,实际计算表明,所建模型具有良好的适应性,能够适合不同的作战环境和不同作战要求,采用跗优化算法研究空中加油问题,优化效率高、具有全局性,并易于计算机实现,所得的加油方案是合理的。     

无人机空中加油自主会合的制导与控制

针对无人机空中加油的自主会合问题,进行了相应制导律和非线性控制器的设计。通过改进的带角度约束的三维比例制导律实现对航向角的控制,以协调转弯的方式将航迹角指令转化为姿态角指令。基于无人机六自由度的动力学模型,针对无人机的姿态控制,采用时标分离的方法设计了慢子系统和快子系统,并对这两个子系统分别进行动态逆控制设计。同时,基于滑模控制的方法设计了满足自主会合要求的速度控制律。在保证无人机飞行稳定的基础上,实现了对控制和制导指令的精确跟踪。仿真结果表明,所设计的制导律和控制律能够实现无人机空中加油的自主会合,具有良好的动态特性。