高超飞行器振动分析

高超飞行器振动分析

Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃａｅｒｏｃｒａｆｔ

汪海，钟都都，孙力，闰杰

ＷＡＮＧＨａｉ，ＺＨＯＮＧＤｕ—ｄｕ，ＳＵＮＬｉ。ＹＡＮＪｉｅ

（西北工业大学飞行控制与仿真技术研究所，西安７１００７２）

摘要：高超飞行器振动对其飞行稳定性的影响至关重要。由于超然冲压发动机的工作特性（姿态误差

＜１。），这给飞行姿态控制提出了很高的要求也称之为精细姿态控制。使得对于一般飞行器

控制中较少考虑的振动因素在高超飞行中成为了成败的关键。振动的来源多种多样，其主要

集中于气动弹性所引起的震动、发动机燃烧不稳定所引起的震动和固流耦合引起的震动。文

中对其振动发生机理做出了简要的分析，建立了其数学模型。为飞行仿真中建立更详细的空

气动力学模型提供素材和依据。

关键词：高超飞行器；震动耦合；气动弹性；燃烧不稳定

中圈分类号：ＴＨｌ６６文献标识码：Ａ文章编号：１００９－０１３４（２０ｌ０）１０（上）－００９３－０３

Ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．Ｉｓｓｎ．１００９－０１３４．２０１０．１０（上）．３０

０引言攻角仅升力Ｙ

由于军事、民用等各领域对高超声速飞行器刚性乘波体

的需求。各国也将其作为航空航天领域的战略制

高点而极力发展，它也是一个国家综合国力的体

现；也将带动材料、气动、控制、计算机、仿真图１绝对刚性乘渡体的空气动力框幽等学科的深入发展。以美国的Ｘ一４３Ａ为代表的高超在这种理想状态下攻角和升力Ｙ的方程为声速乘波体飞行器的成功试飞，使美国在这一领１

域走在世界的最前列；从而也证明以超然冲压发Ｙ＝去ｐ１，２阳ｙ（１）动机为动力的乘波体飞行器是未来高超飞行器的Ｃｙ＝Ｃｙａ＋Ｃ名８２６：（２）发展方向。考虑到乘波体实际为弹性体，那么其真实空

由于超然冲压发动机工作条件受到严格的限气动力框图如图２所示。

制如：其自身不能启动，需要其它装置加速到一

定速度才能工作；进气道要求飞行器在飞行中攻

角和侧滑角的动态误差小于±１０。这给飞行器姿

态控制带来非常高的要求，也称之为精细姿态控

制。这也使得以弹性振动为主的诸多对于普通飞

行器较少考虑的因素，在高超飞行中成为飞行成

败的关键。高超飞行器振动来源主要为：气动弹

性振动、发动机振动和固流耦合振动。

１气动弹性所引起的振动

１．１气动弹性模型

气动弹性是由弹性力、惯性力和空气动力相图２作为弹性体的乘波体空气动力框图

互作用而产生的¨ｑＪ。假设飞行器是绝对刚性的，对应的升力系数得改写为

那么其空气动力方框图如图ｌ所示…。ｑ＝Ｃａ＋ｑ５＝６：（３）收稿日期：２００９—１１－０９

基金项目：本文受国家自然基金（８６３项目）支持

作者简介：汪海（１９８１－），男，陕西人，博士研究生，研究方向为飞行器控制与仿真。

第３２卷第１０期２０１０－１０（上）

【９３】

】，：Ｃ，ｑＳ：竽＠。＋Ｏ）ｑＳ】，＝，＝—｝＠ｏ（４）【４’

三。：ｃ，ｇｓ。：等＠。＋８）ｇｓ。（６）ｗ’三ｅ＝ｃ），ｇｓｅ２吾＠。＋８）ｇｓｅ

（７）、。，

－‘，．、Ｏ。＋Ｏ）ｑＳ。Ｐ卜鲁卜蓦ｃ３ｄｅｑＳ，１０卜［Ｏｉｌ第３２卷第１０期２０１０－１０（上）图３乘波体受力示意图吸入燃烧室与燃料混合点燃喷出产生巨大的推力。超然冲压发动机一般工作在２０Ｋｍ一３０Ｋｍ海拔高度，来流ＭＡ＞５。由于空气在燃烧室内以超声速通过，因此得名超然冲压发动机。发动机振动主要是由喘振和燃烧不稳定组成ｏ¨１。２．１喘振发生的原因发动机喘振是进气道内气流分离、阻塞导致的气流沿进气道轴线方向发生的低频率高振幅的一种振荡现象垆１。喘振发生时进气道出口总压脉动很大，流量和速度也出现大幅度的脉动，严重时，经常引起发动机熄火，还产生强烈的机械振动，对发动机的安全工作有严重威胁。喘振发生时伴有声调低沉的类似放炮声。当出现这种情况时，应立即退出喘振区，以免导致严重的事故发生。根据进气道的工作特性，存在一个进气道喘振区域。进气道与其它部件相配合工作时，在设计条件下，在通用特性图上有确定的工作点，此时工作稳定，效率也较高。但是，当受到其它部件的流量限制时，进气量仍然保持不变，进气道后的总压Ｐ。上升，即增压比丌。提高，流量ｑ饥，）下降，工作点会沿着等相似转速线向着喘振边界移动。另一种情况，其它部件的条件不变，当外界条件Ｔ，或进气量Ｍ发生变化的时候（Ｉ］ＰＮ。／√互的变化），工作点会偏离设计点。当Ⅳ。／√互下降（不论是Ｍ下降或丁。上升），增压比石。下降，流量ｑ饥。）下降，这种情况有可能使工作点移向喘振边界，引起压气机喘振。燃烧不稳定性伴随着航空航天事业的发展，高超声速飞行器不可避免的也存在着燃烧不稳定问题。由于能量在相对损失较低的容器内释放（也就是超然冲压发动机内部），能量的释放密度很高，这样就形成了激发和维持振荡的条件。在燃烧室内某点的压力随时间而变化，这与简协释放又放大或维持了这种波动。这也是一种燃烧

２．２燃烧不稳定性所引起的振动振动机位类似。压力的变化产生波动，而内能的不稳定与声学的耦合现象，从而部分资料也将此

类现象称为声振ｍ。窘＋詈害－ｃ２Ｖ２ｐ＝ｐｃ２ｃ军。，鲁＋鲁，ｃ９，ｐｃｐ鲁＝ｊ丸Ｖ２Ｔ＋ｐ跏叫”等等㈣，

ｐ等＝ＤｊｐＶ２巧＋ｐ∑Ｋ‘＋ｐｍ，

（１１’

式中：ｒ脉动压力∞——声学固有频率

卜声速

Ｄ——密度

ｏ——化学法应对压力的因子

卜无量纲化学反应速率

脚——无量纲蒸发速率Ａ——热传导系数

ｃＤ－定压比热卜传质系数

ｙ－组分质量分数

ｑ——反应热

ｒ燃烧室时问平均压力

Ｔ＿温度

ｊ１．——蒸发焓

ｗ－一反应方程式因子

Ｑ一声学品质因数

式（９）（１０）（１１）描述的是燃烧室声学过程和流动过程；流场的压力和速度扰动主要以声速传播，熵和分组主要以流动速度传播，温度扰动一部分以声速传播另一部分以流速传播。因此方程组包括压力和速度的声学方程、分组和熵的对流方程、温度的声学对流方程。

３固流耦合所引起的振动

随着科技的发展人类知识水平的提高，很多新型的交叉的学科被人们认识，固流耦合就是其中的一种。顾名思义固流耦合就是固体力学和流体力学交叉而形成的一门科学。它是研究固体变形在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者相互作用的一门科学。固流耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，弹性固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产

生形形色色的固流耦合现象吲。

高超飞行器固流耦合现象明显，发动机、乘波体机身、气动弹性等多场耦合所引起的振动。弹性机身在流体力场中发生扭转、弯曲变形，造成冲压发动机前缘（进气道的预压缩面）与来流角度发生变化；这使得冲压发动机喷口出的推力大小、方向都发生改变。推力矢量的变化又影响弹性机身的变形。机身的变形又改变了气动载荷的重新分布。这三者之间的耦合作用就带来了振动。冲压发动机前缘与飞行状态关系如（１２）

ｆ

Ｍｌ（ｓ１）＝］＝＝亍＝兰＝—兰竺兰，＿一

，、

Ｍ。ｃｏｓ０，（ｓ１）

１／１＋主（肛１）Ｍ：ｓｉｎ２０，（啪（１２）

｛鼻（Ｊ１）＝只［１＋ｉｌ删。２％ｓｉｎ２０ｙ（ＪＩ）】

ｆ

Ｉ五０１）＝瓦［１＋去（七一１）Ｍ：ｓｉｎ２８，０，）］

ｆ

．

．

ｏ

Ｚ

发动机对机身的耦合，其主要表现为发动机推力矢量与机身质心不重合而产生的额外俯仰或偏航力矩；发动机尾喷口外流场与机身的耦合。推力矢量产生的额外力矩为式（１３）

ｊＭ护－尸（ｙ一兰）

（１３）

、。

Ｍ，Ｐ＝ｅ（ｚ—ｚ）

尾喷口处外流场的上边缘为机身尾部的下边缘，为喷口处外流场的下边缘为喷处气流与自由流的剪切层。式（１４）为其压力分布

、

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１９５１

立了数学模型。完善了高超飞行器飞行姿态中振动因素，对其以后的精细姿态控制作了基础性的工作。也为今后进一步研究高超飞行器振动做出铺垫。

【３】ＢｏｌｅｎｄｅｒＭＡ，ＤｏｍａｎＤＢ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｙｎａｍ．

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●蠡－●蠡－●＾‘●鼻●●●‘●盘‘●■●出山．●蠡●●蠢‘●蠡●●‘●｜■●ｊ童●●蠢●●矗●●矗‘｜■●●■‘●■‘ｊ■●●‘●●■●

【上接第７２页】

内存中，再在内存中运行。比如嵌入式操作系统Ｕｃｌｉｎｕｘ，在用于￥３Ｃ４５１０Ｂ这样的带以太网接口的嵌入式设备时，把内核和应用程序代码压成一个映像文件包，在包中有网络部分ＭＡＣ及ＩＰ地址。但这些ＭＡＣ及ＩＰ地址的值是在编译映像文件时设定的，而且在编译后的映像文件中的值是不能直观地看到的，而且在编译后的映像文件中的值是不能直观地看到的，它是压缩了的二进制数据，不方便地映像文件中直接更改ＭＡＣ及ＩＰ地址的值。

３）对于使用同一映像文件的嵌入式网络设备，如果不做进一步的处理，其ＭＡＣ及ＩＰ地址是相同的。这显然不能满足应用，因为不同的设备应该有不同的ＭＡＣ及ＩＰ地址。而编译生成映像文件往往要用十几甚至几十分钟。对于生产厂家，不可能为每台设备编译一个特定的映像文件。

嵌入式网络设备系统的ＭＡＣ及ＩＰ地址设置的基本思想是：把ＭＡＣ及ｍ地址存放在Ｆｌａｓｈ的未用扇区（一般在高扇区），嵌入式操作系统启动后，自动运行一个程序去读取ＭＡＣ及ｍ地址并设置它。

用户使用的方法是通过计算机串口与网络设备的ＲＳ２３２接口（即串口）相连，使用超级终端的方式，运行网络设备中的程序把数据写入Ｆｌａｓｈ中。

设备ＭＡＣ及ＩＰ地址。

４结论

如今，互联网的应用正在转向以嵌入式设备为中心。系统与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的结合实现网络化是一种必然的趋势。把嵌入式ｌｉｎｕｘ微内核嵌入到３２位ＭＣＵ系统中，通过构造ＴＣＰ／ＩＰ多种网络协议和基本网络通信协议，充分利用嵌入式操作系统对底层硬件和网络协议的支持，

并对系统实时性的要求改造ｌｉｎｕｘ内核和虚拟内存机制来保证任务完成的实时性和可靠性，在各类应用领域有很好的前景，具有开发周期短、系统稳定可靠、适应性强等特点。

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嵌入式网络设备的“身份证”——ＭＡＣ及ＩＰ

地址的设置，与通用计算机的设置有独特之处。嵌入式网络设备往往没有硬盘，不能像通用计算机那样操作；也不可能为每一台设备“量身”编译映像文件。可以把ＭＡＣ及ＩＰ地址存放在Ｆｌａｓｈ等存储设备上，嵌入式操作系统启动后，自动运行一个程序去读取ＭＡＣ及ＩＰ地址并设置它。这样就可以在同一映像文件包下方便地配置嵌入式网络

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