● 摘要
变体飞行器能够实现多种气动外形的改变，适应变化的任务环境，可在全飞行包络内都达到优良的飞行性能和可控的目标特性。变体飞行器技术是提高未来飞行器作战效能并降低成本的有效方式。本文围绕变体飞行器可控变形过程瞬态动力学特性这一关键基础问题，以可伸缩机翼变形方案为主要研究对象，开展了轴向运动非线性Timoshenko梁瞬态动力学模型、可伸缩机翼结构弯扭耦合振动特性分析、变体飞行器非定常气动特性分析、变体飞行器飞行动力学模型以及可伸缩机翼瞬态气动弹性力学特性分析等一系列研究工作，主要研究内容包括：(1) 基于广义Hamilton原理，建立考虑大变形的轴向运动Timoshenko梁运动方程，采用混合Euler-Lagrangian描述，将运动方程从时变域转化至固定域中，与轴向运动Euler-Bernoulli梁不同，本文模型需要对滑槽内、外梁结构分别建模，通过边界条件协调关系获得结构整体运动方程。将Chebyshev谱方法扩展至几何非连续梁振动问题求解中，并实现对轴向运动Timoshenko梁运动方程的求解，采用一阶广义- 算法获得结构非线性时域响应。(2) 考虑实际工程中机翼结构呈现弯扭耦合振动的特点，在已建立的轴向运动Timoshenko梁的基础上，采用复合材料薄壁单闭室Timoshenko梁对可伸缩机翼结构进行建模，利用内、外机翼段位移协调条件，将可伸缩机翼结构简化为多梁的结构形式，研究可控变形过程中机翼结构的弯扭耦合振动特性和受迫振动特性，着重探讨了结构的不同铺层形式和可控变形规律对机翼结构动力学特性影响的一般规律。(3) 认识和把握变体飞行器气动特性与规律，不仅能体现机翼变形的价值内涵，而且为变形实现途径提供方向性的指引。以低速可伸缩机翼变体飞行器为例，建立了基于非定常涡格法的变体飞行器非定常气动力分析模型，该模型能够随着机翼构型改变实现网格自动划分，并采用改进的尾涡模型，能够实现非定常气动特性的快速准确预计。(4) 变体飞行器在飞行过程中发生机翼变形，气动外形发生显著变化，这将导致飞行器的惯量张量和质心位置都为时间的函数。基于扩展的刚体动力学模型和非定常涡格法，建立变体飞行器飞行动力学模型。研究了机翼对称伸缩变形过程飞行器的纵向动态特性，为抑制飞行高度和飞行姿态剧烈变化对飞行品质的影响，采用 混合灵敏度控制方法进行了变体飞行器在变形过程中的纵向飞行控制系统进行初步设计和仿真。机翼非对称变形过程中，对飞行器的滚转控制效果明显，但对其纵向响应也产生影响，而滚转阻尼力矩不足的特点需要在变体飞行器设计中得到重视。(5) 基于可伸缩机翼结构弯扭耦合振动分析模型和非定常涡格法，建立了可伸缩机翼的气动弹性方程。考虑到高阶Chebyshev谱方法大幅增加了结构状态向量的维度，本文利用模态截断的思想，对气动弹性方程进行整体降阶，仅保留包含不稳定结构模态分支的前几阶模态信息，大幅降低气动弹性分析的计算量。采用广义气动弹性分析方法，利用系统根轨迹求解气动弹性稳定性问题。机翼变形过程中展长变化、不同变形速度对气动弹性系统稳定性和时域响应的影响程度不同，展长变化主要改变机翼结构刚度和气动力分布，变形速度对结构阻尼特性影响显著。更快速的变形速度能够获得更优的气动弹性特性。