CN114313223A - 一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，适用于在机翼后缘左右侧对称设置有独立控制的开裂式阻力方向舵的飞行器，所述方法包括：使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的预定值；获取飞行控制系统发出的偏航操作指令；左右两侧的开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令，一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上减小开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。本申请的方法可有效提高小偏度范围的气动效率，解决气动效率死区问题，提高飞机协调滚转能力、抗侧风能力及防止飞机偏航轴极限环振荡现象的发生。

Description

一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法及系统

技术领域

本申请属于飞行控制技术领域，特别涉及一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法及系统。

背景技术

为提高飞行器隐身特性及减小飞行阻力，飞行器通常会采用全无尾布局或减小尺寸的垂尾或V尾气动布局，这样的飞行器会表现出来本体偏航轴静不稳定现象，为使飞机稳定飞行需采用偏航操纵面对飞机进行动态增稳。开裂式阻力方向舵即用于上述目的，但开裂式阻力方向舵存在中、小幅值偏度范围的气动效率死区，在小偏度范围使用时会导致偏航操纵效能不足的问题，导致飞机抗侧风能力减弱或者出现极限环振荡等不期望的动态特性，使飞机不能精确跟踪航迹甚至发生飞行事故。

发明内容

本申请的目的是提供了一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法及系统，为飞机提供偏航操纵效能，控制飞机的偏航运动，提高飞机协调滚转能力、抗侧风能力及防止偏航轴极限环振荡的发生。

一方面，本申请提供了一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，适用于在机翼后缘左右侧对称设置有独立控制的开裂式阻力方向舵的飞行器，所述方法包括：

使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的预定值；

获取飞行控制系统发出的偏航操作指令；

左右两侧的开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令，一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上减小开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。

进一步的，所述开裂式阻力方向舵开裂的预定值根据飞行阻力优化目标、构型隐身优化目标、回避气动效率死区目标进行调整和设置。

进一步的于，所述开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令在开裂预定值的基础上增加开裂偏度时，不超过所述开裂式阻力方向舵的最大偏度。

进一步的，单侧的开裂式阻力方向舵通过解耦增益调整上下片的开裂比例，使得单侧的开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。

另一方面，本申请提供了一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强系统，所述系统包括：

预开裂模块，所述预开裂模块用于使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的预定值；

前增益模块，用于根据飞行控制系统的偏航控制指令，使一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时使另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。

进一步的，所述开裂式阻力方向舵开裂的预定值根据飞行阻力优化目标、构型隐身优化目标、回避气动效率死区目标进行调整和设置。

进一步的，该系统还包括：

限幅模块，所述限幅模块用于在该侧的开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令在开裂预定值的基础上增加开裂偏度时，不超过所述开裂式阻力方向舵的最大偏度。

进一步的，该系统还包括：

解耦增益模块，所述解耦增益模块设置在限幅模块之后，用于调整单侧的开裂式阻力方向上下片的开裂比例，使得单侧的开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。

本申请的方法及系统可有效提高小偏度范围的气动效率，解决气动效率死区问题，提高飞机协调滚转能力、抗侧风能力及防止飞机偏航轴极限环振荡现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为左右侧分别具有开裂式阻力方向舵的飞翼式飞机示意图。

图2为本申请的开裂式阻力方向舵操作效能动态增强系统组成图。

图3为未采用本申请的操作效能动态增强方法的开裂式阻力方向舵偏航力矩增量示意图。

图4为采用了本申请的操作效能动态增强方法的开裂式阻力方向舵偏航力矩增量示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

如图1所示，飞翼式飞机1的两侧分别具有左开裂式阻力方向舵2A和右开裂式阻力方向舵2B，每个开裂式阻力方向舵均包含可独立偏转控制的方向舵上片21和方向舵下片22，通过分别控制开裂式阻力方向舵中的方向舵上片21和方向舵下片22的角度实现飞翼式飞机1的偏航控制。飞行过程中，通过机翼左、右两侧的开裂式阻力方向舵的协调配合偏转，而增加偏航操纵偏度指令产生的左右侧阻力差值，进而显著增加偏航轴操纵力矩，提高开裂式阻力方向舵小偏度范围的气动偏航力矩产生能力，动态增强偏航气动效率，提高飞行控制系统的安全性和动态响应品质。

因此，本申请的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法具体包括如下过程：

首先，在机翼后缘左右两侧位置对称设置有开裂式阻力方向舵(或称开裂式副翼)，左、右两侧的开裂式阻力方向舵随飞行高度和速度及飞行迎角等飞行状态动态预先开裂至相同的偏度值(或称预开裂值或预开裂偏度等)，该预先开裂的偏度可随飞行阻力优化目标、构型隐身优化目标、回避气动效率死区目标等进行调整和设置；

之后，获取飞行控制系统的偏航控制指令，控制左右侧的开裂式阻力方向舵协调偏转，从而产生期望的偏航力矩叠加值，完成偏航操作。具体的，由于左右侧对称的预开裂值相同，因此不产生不对称的操纵偏航力矩，此时飞机可对称飞行。当飞行控制系统发出偏航操纵指令时，左右侧的开裂式阻力方向舵在预开裂偏度的基础上，进行左右差动协同偏转，一侧的开裂式阻力方向舵在预开裂偏度的基础上增加开裂偏度，而另一侧的开裂式阻力方向舵则同时在预开裂偏度的基础上减小开裂偏度，这样在单位偏航操纵指令下产生的左右侧不对称偏航力矩将大于仅一侧开裂或仅一侧减小的偏航力矩值，以此通过动态协同偏转增加了阻力方向舵的操纵效能解决了气动效率死区问题。

需要说明的是，开裂式阻力方向舵在增加偏度时具有约束，该约束使其不超过开裂式阻力方向舵的最大偏度。

此外，对于单侧的开裂式阻力方向舵而言，其方向舵上片21和方向舵下片22需要协同偏转，以产生单侧期望偏航力矩及解耦滚转及俯仰力矩，因此在单侧开裂式阻力方向舵偏转时，通过解耦增益调整方向舵上下片的开裂比例，使开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时尽量不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。

本申请所提供的方法充分利用电传控制系统的资源，在不改变开裂式阻力方向舵气动设计方案及不增加飞控系统硬件的基础上，仅通过改变控制律算法就达到增加开裂式阻力方向舵气动操纵效率的目的，实现对小偏度范围气动效率死区的补偿，解决飞翼式飞行器飞行品质降低及飞控系统极限环振荡问题。

如图2所示，本申请中还提供了开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法系统3，该系统3包括预开裂模块、前增益模块以及限幅模块、后增益模块。

预开裂模块31其用于使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的偏度值，该预开裂值的设置参考但不限于以下四个来源：

1)用于使飞行器保持在基本飞行状态的阻力舵开裂值，从而可以补偿效率死区并获得足够的气动效率，该预开裂值随飞行状态调参；

2)飞行器最终进场后采用的开环气动刹车控制模式称之为气动刹车模式，因开裂式阻力方向舵的预开裂值较基本飞行状态的预开裂值增加近50％，最大预开裂值的32°，飞行阻力大幅增加，使自动油门避开非线性工作区域；

3)飞行器在空中急剧减速或者大幅俯冲下滑时，采用的闭环气动刹车模式，对飞机进行闭环增阻控制，以此扩展自动油门的工作范围，同时满足补偿效率死区的最小偏度要求；

4)无动力返场时能量管理控制律输出阻力舵预偏值，用于改变飞行阻力闭环调节飞行能量。

前增益模块用于根据飞行控制系统的偏航控制指令，使一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时使另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。如图2中所示，前增益模块包括第一前增益模块32A和第二前增益模块32B，第一前增益模块32A根据飞行控制系统的偏航控制指令，在右开裂式阻力方向舵的预开裂值基础上增加开裂偏度，第二前增益模块32B根据飞行控制系统的偏航控制指令，在左开裂式阻力方向舵的预开裂值基础上增加开裂偏度。

限幅模块用于在该侧的开裂式阻力方向舵根据偏航操作指令在开裂预定值的基础上增加开裂偏度时，不超过所述开裂式阻力方向舵的最大偏度。如图2中所示，第一限幅模块33A将第一前增益模块32A输出的用于控制右开裂式阻力方向舵的偏度指令进行限幅，使其不超过右开裂式阻力方向舵的最大偏度；第二限幅模块33B将第二前增益模块32B输出的用于控制左开裂式阻力方向舵的偏度指令进行限幅，使其不超过左开裂式阻力方向舵的最大偏度。

解耦增益模块设置在限幅模块之后，用于调整单侧的开裂式阻力方向上下片的开裂比例，使得单侧的开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。例如图2中，第一后增益模块34A通过调机右侧下片(右侧下片即右开裂式阻力方向舵下片，右侧上片、左侧下片、左侧上片同理)的开度，可以实现右侧下片与右上片的开裂比例，从而实现右开裂式阻力方向舵的开裂角度在能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩；同样的，第二后增益模块34B通过调机左侧下片的开度，可以实现左侧下片与左上片的开裂比例，从而实现左开裂式阻力方向舵的开裂角度在能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩。

在本申请一些实施例中，解耦增益k_decoup＝1.2，并随高度和M数调参。

最后，为了对本申请的方法及系统的效果进行说明，本申请中对不同飞行迎角的偏航力矩增量进行了验证，如图3所示，在未采用本申请方法前的开裂式阻力方向舵偏航力矩增量，存在效率死区；如图4所示，而在采用本申请的方法后的开裂式阻力方向舵偏航力矩增量，偏航气动效率死区消失。

本申请的方法及系统可有效提高小偏度范围的气动效率，解决气动效率死区问题，提高飞机协调滚转能力、抗侧风能力及防止飞机偏航轴极限环振荡现象的发生。

此外，本申请的方法还可用于飞机进场阶段的气动刹车、空中急剧减速或者大幅俯冲下滑时采用的闭环气动刹车控制以及无动力返场时飞行阻力闭环调节管理飞行能量等场景。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，适用于在机翼后缘左右侧对称设置有独立控制的开裂式阻力方向舵的飞行器，其特征在于，所述方法包括：

使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的预定值；

获取飞行控制系统发出的偏航操作指令；

左右两侧的开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令，一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上减小开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。

2.如权利要求1所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，其特征在于，所述开裂式阻力方向舵开裂的预定值根据飞行阻力优化目标、构型隐身优化目标、回避气动效率死区目标进行调整和设置。

3.如权利要求1或2所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，其特征在于，所述开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令在开裂预定值的基础上增加开裂偏度时，不超过所述开裂式阻力方向舵的最大偏度。

4.如权利要求3所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强方法，其特征在于，单侧的开裂式阻力方向舵通过解耦增益调整上下片的开裂比例，使得单侧的开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。

5.一种开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强系统，其特征在于，所述系统包括：

预开裂模块，所述预开裂模块用于使飞行器左右两侧的开裂式阻力方向舵预先开裂至相同的预定值；

前增益模块，用于根据飞行控制系统的偏航控制指令，使一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，同时使另一侧的开裂式阻力方向舵在开裂预定值的基础上增加开裂偏度，从而在偏航操纵指令下产生左右侧不对称的偏航力矩。

6.如权利要求5所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强系统，其特征在于，所述开裂式阻力方向舵开裂的预定值根据飞行阻力优化目标、构型隐身优化目标、回避气动效率死区目标进行调整和设置。

7.如权利要求5或6所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强系统，其特征在于，还包括：

限幅模块，所述限幅模块用于在该侧的开裂式阻力方向舵根据所述偏航操作指令在开裂预定值的基础上增加开裂偏度时，不超过所述开裂式阻力方向舵的最大偏度。

8.如权利要求7所述的开裂式阻力方向舵操纵效能动态增强系统，其特征在于，还包括：

解耦增益模块，所述解耦增益模块设置在限幅模块之后，用于调整单侧的开裂式阻力方向上下片的开裂比例，使得单侧的开裂式阻力方向舵的开裂角度能够提供偏航操纵力矩的同时不产生耦合的滚转力矩和俯仰力矩，实现三轴解耦控制。

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