9、单螺旋桨飞机六自由度非线性飞行建模与配平研究

单螺旋桨飞机六自由度非线性飞行建模与配平研究

1. 引言

在飞行器任务中，利用计算机工具进行建模和仿真已成为任务成功的关键要素。飞行器需在飞行包线内按特定航线飞行，因此在执行任务前，必须对飞行航线有足够信心。飞行动力学建模对规划飞行器任务和设计飞行器极为有用，基于此的仿真能提供飞行器对指令和控制的响应，便于仔细评估任务飞行路径。

常见的飞行建模方法有分析方法和实验方法。随着流体动力学计算机建模的发展，分析技术取得了显著进步，飞行动力学建模可与结构动力学结合研究气动伺服弹性和飞行载荷，也可结合螺旋桨理论考虑螺旋桨尾流对机身空气动力学的影响。但这些方法在使用前需与实验结果进行关联验证。如今，常采用分析与实验方法相结合的方式，用于无人飞行器的飞行动力学建模。

本研究采用特定方法对示例飞机的飞行动力学进行建模。由于该飞机设计独特，对其 1/12 比例的无动力、固定操纵杆模型进行了风洞试验，研究襟翼、升降舵、方向舵和副翼偏转而产生的纵向和横向空气动力学效应。结合风洞数据和分析估计，通过 MATLAB 编程对飞机状态向量的非线性微分方程进行数值求解，以实现六自由度飞行建模，并展示了配平飞行时所有 12 个状态变量的时间历程变化。

2. 飞机描述

示例飞机是一种具有高翼配置的经济型短程货运飞机，配备由单螺旋桨驱动的双发发动机，通过独特的组合齿轮箱实现动力传输。其机身与螺旋桨直径比为 0.65，相对较高。该飞机属于通勤类，最大起飞重量为 19,000 磅，双发发动机起飞功率为 2700 马力，单发动机不工作时功率减半。螺旋桨为复合材料制成，有六个叶片，直径 12.9 英尺，活动因子为 76，设计升力系数为 0.42，起飞时转速为 1200 RPM。表