主动气动弹性机翼技术分析.pdf

收稿日期:1997210207第一作者 男 31岁 讲师 100083 北京1)航空科学基金(97A51038)资助项目主动气动弹性机翼技术分析1)杨 超 陈桂彬 邹丛青(北京航空航天大学 飞行器设计与应用力学系)摘 要 以伺服气动弹性(或称气动伺服弹性)技术为出发点,结合国内外研究情况,分析近年来正在发展的、能多方面提高飞机性能的飞机设计新技术 主动气动弹性机翼(也称主动柔性机翼)技术的主要设计思想与特点、关键技术、与传统机翼设计技术的区别、应用前景等,反映该技术的多学科综合和一体化的特点,供飞机设计、气动弹性等研究人员参考.关键词 气动弹性动力学;柔性机翼;飞行控制;气动伺服弹性;主动控制;一体化设计分类号 V 211.47 未来飞机应具有大柔性、结构与起飞重量比小的特点,在高性能数字式控制系统的支持下,能巧妙地利用气动力与气动弹性效应,具有很好的飞行性能.正在发展的能够将性能、推进系统、结构、气动力和飞控系统等多种学科集成起来的设计方法,可用来解决飞行中飞行控制系统、柔性结构、气动力等的相互作用问题(如伺服气动弹性问题,简称ASE),将在飞机设计中起主要作用.随着主动控制技术(简称ACT)在航空技术领域的发展,逐步使人们认识到结构的柔性在主动控制技术的支持下可以发挥更大的潜力.为了证明ACT与ASE技术的结合在飞机设计中的关键作用,1985年至1992年,由美国空军、NASA兰利研究中心和Rockwell公司共同发起了主动柔性机翼(Active Flexible Wing,简称AFW)工程计划1,验证了AFW概念,证明AFW技术是未来多用途战斗机设计的多功能关键技术之一,技术上已经达到了可以应用于新机而又没有多大风险的程度.1996年已经开始了第2阶段的研究,在美国空军的支持下,怀特试验室、爱德华空军基地、NASA德莱顿研究中心、NASA兰利研究中心联合开展了主动气动弹性机翼(ActiveAeroelastic Wing,简称AAW,是AFW的重新命名)技术的飞行试验研究2,目的是使AAW技术进一步转化到实际工程中.从AAW技术的研究来看,它是ASE技术的拓宽和自然延伸;ASE技术是AAW技术的核心内容,是AAW技术发展的坚实基础.国内ASE研究始于70年代,相继在多个机型上实施了ASE分析,同时也开展了ASE综合技术的理论研究和实验验证3,包括气动能量方法4,线性二次型调节器(LQR)法5和线性二次型高斯(LQG)法6的颤振抑制和阵风减缓的模拟和数字式控制律的综合,并对多输入2多输出系统的鲁棒稳定控制79及结构/控制一体化10做了研究和探讨.本文结合国内外ASE、AAW技术的研究情况,介绍这种新机设计技术的设计思想与功能、关键技术以及发展状况等.1 主动气动弹性机翼的设计思想与功能AAW技术的设计思想与采用结构的强度和刚度来被动地防止结构柔性引起的气动弹性不良效应的传统设计方法不同,它是通过全权限、快速响应的数字式主动控制系统来主动且有效地利用机翼的柔性.传统的设计方法中由控制面产生控制力,从而控制飞机运动.而机翼的柔性产生的气动弹性效应会减弱控制面的效能,同时使机翼的颤振特性变差.为了避免这种不利情况,只能加强机翼强度和刚度或附加其他控制面,从而使结构重量增加.国外AAW技术中,机翼带有多个前缘和后缘控制面,在主动控制系统的操纵下,多个控制面1999年4月第25卷 第2期北 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsApril1999Vol.25No12协调偏转(如美国AFW工程中的风洞试验模型,共有4对控制面,即内侧前、后缘和外侧前、后缘控制面各1对1,2),主动使机翼发生所希望的弹性变形,由变形的机翼产生控制力,使飞机运动特性改变.如果设计合理,控制面只要偏转较小的角度(大约 5),就能提供足够的控制能力,满足设计要求,而此时的机翼扭转变形比传统设计方法设计的机翼的变形还要小.美国AFW工程及有关验证机试验得到的结论是,AAW技术能获得如下收益:1)显著地增强控制能力;2)在所有飞行范围内减小气动阻力;3)减小机翼结构重量;4)展长和后掠角一定时,拓宽机翼设计的手段;5)抑制颤振和提高颤振临界速度;6)阵风与机动载荷减缓,提高机动性.AAW技术本身涉及结构、控制、气动力等多门学科,是ASE、ACT、结构优化、机翼设计、传感器、测量、风洞试验、计算机等多项技术的集成.其中有些技术已经发展多年,比较成熟;而有些技术需要深化或拓宽,但更重要的是如何将这些技术集成起来,形成一种有效的工程应用技术.ACT技术和ASE技术是AAW技术的关键,而ASE技术是AAW技术的核心内容,ACT技术是AAW技术得以实现的有力工具.AAW技术涉及的控制系统设计是基于ASE系统的问题,较单纯的基于刚体的控制律设计有更大的难度,同时突破了原有ASE问题中颤振主动抑制和阵风减缓的控制律综合问题,还可以包括静态的飞行状态控制与保持、机动飞行控制与载荷减缓等多种飞行控制律的综合等.AAW技术实际上包含2个层面的技术11.一个层面是针对已存在的机翼设计主动控制系统,在不超出已有结构限制的条件下,对控制面偏转进行优化配置,得到所希望的机翼变形,最大限度地减小阻力,获取机动性等;并以颤振主动抑制和机动载荷减缓控制系统设计为核心内容.另一个层面是采用AAW技术设计一种新机翼,综合结构、气动力、控制系统进行设计,优化机翼结构和控制面位置,在满足结构约束的条件下,使得最小重量、最小阻力等指标得到满足.美国经过1985年以来的AFW工程研究,第1个层面的AAW技术在风洞中得到验证,取得很大进展,已达到实际应用的较成熟水平,目前正开展验证机试验研究.第2个层面的AAW技术在第1个层面技术的基础上还在不断研究之中.Rockwell公司选择了多项技术进行了研究,最后确认,适合于未来多用途战斗机的多功能技术是推力矢量技术、无尾布局技术和AAW技术,最终选择的飞机是带有主动柔性机翼、推力矢量控制的无尾布局构型.这种构型中,推力矢量技术既能提供多轴推力又能提供俯仰/偏航稳定性和控制,AAW技术和无尾技术均能降低重量和减小阻力.这种构型已被美军方认可,并正在系统地验证中.2AAW的关键技术及研究进展从国外AAW技术的发展来看,ACT和ASE技术是关键,重点是模型建立、一体化设计、分析技术和主动控制系统设计.我国多年来开展的ASE方面的研究工作不但是目前工程的需要,而且是进一步发展AAW技术的重要基础.2.1 伺服气动弹性系统数学模型气动弹性系统不同,其运动方程也有所不同.从国内外的研究情况看,有多种建模方法.总的来说有2类性质的建模问题,即线性系统建模和非线性系统建模.2.1.1 线性模型建立气动弹性系统的线性模型的主要目的是借助成熟和完善的线性系统理论进行稳定性、鲁棒性分析和设计控制律.一般将方程写成一阶线性时不变状态空间方程形式,难点是非定常气动力的处理,同时还要综合考虑精度、模型的阶数和工作量,提高模型的质量.1)非定常气动力的有理函数近似此类建模方法把频域的非定常广义气动力延拓至拉氏域的有理函数近似,然后将运动方程转化为状态空间方程.为了获得与减缩频率有关的非定常气动力低阶有理函数近似,减少从频域向时域转换时引入的气动力维数,至今已发展了多种非定常气动力的有理函数近似方法,如目前常用的Roger法、修正矩阵的Pade法、最小二乘法(LS法)和最小状态法(MS法),每种方法都受自身特点的影响,各有特色,且同等重要,一般视具体问题选用.以往的科研实践表明,Roger法和修正矩阵的Pade法有较好的精度,但前提是清晰掌握系统的颤振特性,在建模之初就把结构自由度减少到有限的个数.由于LS法的拟合过程是线性优化问题,计算工作量较小,也有较高的精度,但滞后项增加的气动力维数较多.MS法的最大优点是提供尽可能少的非定常空气动力维数,从而使最271北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 1999年终形成的状态空间的阶数较低,以利于降低控制律的阶数,有较高的精度,便于工程应用,这也是该方法被较多采用的原因.文献12对MS法进行了深入的研究,分析了不同初值、不同约束点、不同滞后根及加权等因素对空气动力拟合误差和颤振特性的影响结果;采用重要与次要模态的概念进行降阶,使计算工作量大为降低.2)拟合状态空间法这是一种国外近期发展的ASE系统的低阶建模新方法,它与非定常气动力的有理函数拟合方法有本质的区别,无需经过气动力的有理近似,直接对传递函数响应进行拟合来建立状态空间方程,方程中不含气动力状态,模型阶次低.文献13针对一个多输入多输出的ASE系统,分别采用Roger法、MS法和拟合状态空间法建立数学模型,进行了颤振特性和动响应特性的计算,并做了鲁棒稳定性分析,对比结果表明,拟合状态空间法较传统的非定常气动力拟合方法具有阶次低、计算速度快、精度相当且稳定、运用简单方便的优点,是一种比较实用的低阶建模方法.但拟合状态空间法建立的状态空间方程是一个数字离散形式,同时,状态矩阵的计算来自p2k法计算结果,精度受到p2k法精度的制约.3)高阶模型降阶技术高阶模型降阶技术是AAW系统建模的重要组成部分.一般来说,对于高柔度的飞机,即使采用低阶建模技术,其状态空间方程的阶数仍然是很高的,应用此模型设计的控制律一般也具有同样高的阶次,这样的高阶控制律是很难在工程中实现的,即使实现,可靠性也很差.为了最终获得低阶控制律,有2条途径.一是针对高阶系统设计满阶控制律,然后采用控制律降阶技术得到低阶控制律;二是先建立一个低阶模型,然后设计低阶控制律.第2种途径在具体实现时往往是低阶建模技术(如MS法和拟合状态空间法等)和高阶模型降阶技术的结合.2.1.2 非线性模型从理论上讲,由线性运动方程设计的控制律和分析结果仅适合于线性运动方程,即适合于非线性运动方程在某处的线性化区域,控制律设计的好坏最终要在实际系统中验证.为了验证控制律,保证模型和风洞试验的安全,试验之前必须通过数值仿真预测试验结果.这里涉及到带有主动控制系统的结构动力学响应问题,所需的气动弹性运动方程应尽可能多地包含非线性因素1,如气动力非线性、控制环节非线性、结构非线性、惯性耦合等因素;但目前来说,由于主动气动弹性机翼的弹性变形可以有效控制,还未触及结构的几何非线性问题,而仅考虑结构的间隙等非线性环节.2.2 一体化设计现代高性能的飞行器在结构系统和控制系统之间通过气动弹性效应会产生很强的耦合,而当前工程设计实践中最大的特征是结构设计和控制系统设计之间的分离,最后只能采取补救修改和调整,所付出的代价是昂贵的.随着现代计算技术可信度的增长和优化算法的发展,传统的设计方法总是要被一体化设计方法代替.AAW技术中注意结构/控制一体化设计.单独考虑结构设计或主动控制来改变气动弹性的收效是有限的,所以必然要使用综合的技术,按预期目的最终消除空气动力、结构和控制系统中不利的耦合,同时利用有利的耦合.结构/控制一体化设计是各类相关学科发展趋于成熟阶段后的必然结果.文献10在一个长直机翼模型上用并行法设计思想研究了结构/颤振主动控制的一体化设计,使结构重量下降80%的同时,保证颤振主动控制系统鲁棒稳定,闭环颤振速度可提高7%.以F/A218战斗机为基础,采用AAW技术,重新设计机翼,在性能不变的情况下,结构重量只有原来的52%,扭转刚度可以降低40%14.又如AAW技术用于F216战斗机机翼设计时,机翼外段刚度可降低25%,结构重量降低20%,在高动压情况下,控制效能提高了10%15.2.3稳定性分析方法ASE系统稳定性分析是当前飞行器设计中不可缺少的重要环节,其分析方法也是AAW技术发展的重要基础,国内外在这方面已做了大量工作.国外比较重要的ASE分析软件包有:1)NASA兰利研究中心的ISAC;2)NASA德莱顿研究中心的STARS;3)怀特实验室的ADAMS;4)McDonnell飞机公司的FAMUSS.国内在ASE系统的单输入单输出分析方法和多输入多输出分析方法以及非线性分析方法研究上也已做了大量工作.1)ASE系统的线性分析方法不考虑ASE系统中非线性环节和非线性因素,可建立线性系统方程,应用较为成熟的线性系统理论分析ASE系统的稳定性.伺服颤振是ASE分析的首要问题.主要途径是把系统当作单输入371第2期 杨 超等:主动气动弹性机翼技术分析单输出(SISO)系统,或转化为SISO系统,然后分析系统的稳定性并确定颤振特性,这种方法物理特性清晰,比较成熟,在工程应用中常见.对于多输入多输出(MIMO)系统,可以利用鲁棒性理论中的回差矩阵的最小奇异值来估计多变量系统的稳定裕度3,9;该方法在理论上已成熟,有待于在实践中验证.2)非线性系统分析方法实际的系统包含很多非线性的因素,在线性系统的基础上所做的分析和设计的控制律只能反映系统的一个方面,而且需要针对实际系统验证和再分析.因此,对非线性系统进行分析成为AAW技术的必经之路.然而,目前的非线性系统理论尚在发展之中,理论和方法也不成熟,仅对于少数特殊系统有较良好的方法.文献12在时域和频域内分析了间隙结构非线性对飞机颤振特性的影响,结果表明,某飞机在飞行中遇到的水平尾翼振动现象,是由于水平尾翼操纵系统结构间隙引起的极限环振荡,初值对稳定区域的影响决定了这种现象的不易重复和不易预计的特点,提供了线性方法所不能揭示的非线性颤振特性.文献16应用非线性控制理论,研究了当控制律中考虑一个非线性环节(饱和或死区非线性环节)时,对气动伺服弹性系统稳定性的影响.这些工作都是非线性研究的一些具体方面,还不能给出具有普遍意义的结论,因此ASE系统的非线性分析方法还需要进一步研究.2.4 主动控制系统设计AAW技术要求所设计的控制系统应具有工程应用价值,即是低阶的、MIMO的、满足二次型性能指标的、鲁棒性好的数字式控制系统,同时要重视各种控制系统的交联使用.AAW工程研究中的ACT系统主要包括2个核心内容,分别是颤振主动抑制和滚转机动载荷控制系统的设计,另外还要切实考虑对其他飞行控制系统的影响.1)颤振主动抑制系统颤振主动抑制系统是ASE技术的核心内容,也是AAW技术的核心内容之一,国内外均已进行了多年的理论和试验研究.目前研究的重点是发展具有低阶的、MIMO的、鲁棒性好、满足二次型性能指标,能同时抑制对称与反对称颤振,并能与滚转机动等控制系统交联使用的颤振主动抑制系统.美国在1985年进行的AFW工程计划,关键内容之一就是颤振主动抑制系统的设计与风洞试验验证1,在跨音速风洞试验的颤振速度有效地提高了24%,并能同滚转机动载荷减缓系统交联使用.国内自1982开始相继进行过一系列的颤振抑制的理论和试验研究410,研究内容包括模型化方法、综合方法(如多种控制律设计、控制律降阶、鲁棒控制律等)以及试验技术等,从模拟式5到数字式17的颤振抑制和阵风减缓,都得到了比较有益的进展,所进行的试验与理论计算吻合,颤振速度提高20%左右,阵风响应也有明显减缓.2)滚转机动控制系统AAW技术中机翼除常规的作用外,还有进行飞行控制的能力,尤其是进行滚转机动控制,这就需要研究并开发一种系统化的控制律设计方法,能在快速滚转机动时减少或限制弯曲或扭转翼载,同时应能同其他控制系统(如颤振主动抑制等)交联使用.包括2个方面的研究内容:滚转机动载荷减缓系统和滚转速率跟踪系统的设计与验证.美国在1985年至1992年进行的AFW工程计划中,另一关键内容就是滚转机动控制系统的设计与风洞试验验证1,取得了良好结果.3)飞行控制系统设计传统飞行控制系统的设计均将飞机视为刚体,最多对气动导数和操纵导数做弹性修正,这对于目前所设计飞机是合适的,因为现代飞机的刚性和弹性模态的频率分隔比较大.但对于未来飞机,飞机刚性和弹性模态的频率分隔逐渐靠拢,结构参数和控制律的设计方法也要从一体化的角度考虑.飞行控制律的设计应满足品质规范要求的稳定性及操纵性指标.这类指标通常适用于刚性飞机.由于刚性和弹性模态的频率逐渐靠拢,在飞控系统的频率特性中会出现若干大幅值的尖峰,对飞控系统设计满足MIL2Spec287842要求带来一些挑战.文献18提出一种校正ASE的最小相位角滞后滤波器自动化设计程序,它将滤波器设计看成约束优化问题,以最小相位角滞后为目标,且同时满足稳定性裕量和操纵性要求.这一程序将自动选择最佳的滤波器结构及其相应参数,避免了采用凭经验的试凑法,大大节省人力和时间.3 结 束 语主动气动弹性机翼技术是伺服气动弹性技术的拓宽和自然延伸,是未来飞机(战斗机和民机)设计的关键技术.ASE技术的发展自然为AAW提供技术准备.国外对AAW技术十分重视,在这方面的工作比较系统和深入,规划细致、长远,人471北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 1999年员和组织都很强,基本上是走一条各专业联合发展的道路.国内现在还未从宏观上涉及AAW技术,但应看到,我国在过去的20年中在ASE技术方面的研究有了长足的进展,积累了丰富和系统的理论、试验和工程设计经验,这是能够在短期内展开AAW技术研究的宝贵资源和基础.今后的工作是在进一步发展ASE技术的同时,主动向AAW技术领域延伸和扩展,同时加强多学科的融汇,在研究力度、资金注入和人员配置上进一步加强,使我国的AAW技术早日提到实际中,为新一代飞机设计打下坚实的基础.参 考 文 献1Perry B,Cole S R,Miller G D.Summary of an active flexiblewing program.J Aircraft,1995,32(1):10152Pendleton E,Griffin K E,Kehoe M W,et al.A flight researchprogram for active aeroelastic wing technology.AIAA-96-1574-CP,19963 邹丛青,陈桂彬.气动弹性力学的新分支 气动伺服弹性.北京航空航天大学学报,1995,21(20):22274 陈桂彬,邹丛青.基于气动能量概念的机翼颤振抑制控制律.中国航空科技文献,HJB860356,19865 邹丛青,陈桂彬.机翼/外挂颤振主动抑制的控制律研究.力学学报,1991,23(3):2742816 张芝龙.颤振主动抑制系统综合与实验研究:学位论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,19927 方 力,陈桂彬.颤振主动抑制控制律优化设计.北京航空航天大学科研报告,BH-B4431,19938 何景武,邹丛青.颤振主动抑制系统鲁棒控制律初探.北京航空航天大学学报,1995,21(2):10159 孙 卫,邹丛青.耦合的气动弹性系统鲁棒稳定裕度估算.北京航空航天大学学报,1996,22(3):38639310 高 萍.翼面结构/颤振主动控制一体化设计:学位论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,199311Miller GD.An active flexible wing multi2disciplinary design op2timization method.AIAA-94-4412-CP,199412 宗 捷.非定常空气动力有理函数近似及非线性颤振研究:学位论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,199513 陈立新.用于气动伺服弹性的低阶建模方法及其应用研究:学位论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,199714Volk J A,Ausman J D,Tich EJ.The role of automated mul2ti2disciplinary structure sizing in flexible wing development.A2IAA-94-1485,199415Pendleton E,Lee M,Wasserman L.An application of the ac2tive flexible wing concept to an F216 derivative wing model.A2IAA-91-0987-CP,199116 陆 波.线性和带有非线性控制环节的气动伺服弹性稳定性分析:学位论文.北京:北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系,199717 邹丛青,陈桂彬.数字式颤振主动抑制及工程特性.中国航空科技文献,HJB931162,199318Cheng P Y,Hirner TJ.Automated procedures for aeroservore2lastic compensation.AIAA-92-4606-CP,1992Analysis of Active Aeroelastic Wing TechnologyYang ChaoChen GuibinZou Congqing(Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Dept.of Flight Vehicle Design and Applied Mechanics)AbstractBased on aerosevorelasticity technology,active aeroelastic wing technology(also called ac2tive flexible wing technology)was discussed.Active aeroelastic wing technology was advanced technologyof aircraft design to improve performance from a lot of cases.The main design concept and characteristic,key technology(mathematics model of aerosevorelasticity system,integrated design,analysis method forstability,and design of active control system),difference to classical wing design,and functions for futureaircraft were analyzed.The design with integrated multidisciplinary in the technology was showed mainlyand was important to the research person for future aircraft design.Key wordsaeroelastic dynamics;flexible wings;flight control;aerosevorelasticity;active control;integrated design571第2期 杨 超等:主动气动弹性机翼技术分析