空中加油动力学与控制

第一篇空中加油简介

第一章 空中加油技术的意义与发展 1

1. 1 战略意义 1

1. 1. 1 遗憾错过第二次世界大战 1

1. 1. 2 现代空战显神威 3

1. 1. 3 空中加油技术的作用 7

1. 2 起源与发展 8

1. 2. 1 “不可思议冶的登场 9

1. 2. 2英、美合作发展历程 11

1. 2. 3 苏联另辟蹊径 17

1. 2. 4 我国发展之路 25

1. 2. 5 不可思议的加油瞬间 26

第二章 空中加油技术分类 31

2. 1 空中加油基本形式 31

2. 1. 1 软管锥套式(简称软式) 31

2. 1. 2 伸缩套管式(简称硬式) 32

2. 1. 3 混合式 33

2. 2 伙伴式空中加油 33

2. 3 直升机空中加油 34

2. 3. 1 作用与发展情况 34

2. 3. 2 难点和结构差异 36

2. 3. 3 加油设备简介 37

2. 3. 4 加油基本过程 38

2. 4 无人机自主空中加油 39

2. 4. 1 NASA 软式自主空中加油 40

2. 4. 2 美国空军硬式自主空中加油 45

2. 4. 3 美国海军自主高空加油计划 46

2. 4. 4 史上首次无人机自主加油对接 47

2. 5 空中加油的基本过程 47

第三章 空中加油机及其系统组成 50

3. 1 世界各国主要空中加油机 50

3. 1. 1 美国 50

3. 1. 2 俄罗斯 54

3. 1. 3 英国 56

3. 1. 4 欧洲空中客车公司 57

3. 1. 5 其他国家 58

3. 1. 6 空中加油机应该造多大 60

1.3.2典型空中加油机的系统组成 61

3. 2. 1 伊尔 -78 系列空中加油机 61

3. 2. 2 KC -135 空中加油机 62

3. 2. 3 KC -10 空中加油机 68

3. 2. 4 新型空中加油机的发展趋势 75

3. 3 软管锥套式空中加油系统 79

3. 3. 1 软式加油吊舱 79

3. 3. 2 机身软式加油平台 83

3. 3. 3 受油插头与变阻力锥套 87

第四章 常见空中加油事故分析 90

4. 1 加、受油机近距气动耦合 90

4. 1. 1 加油机尾流影响 90

4. 1. 2 受油机头波影响 91

4. 2 人为原因或飞控系统缺陷 92

1.4.2.1飞行员紧张心理 92

4. 2. 2 飞行员操纵技术欠缺 92

4. 2. 3 受油机飞控系统设计缺陷 93

4. 3 加受油设备安全性缺陷 94

4. 3. 1 燃油喷溅 94

4. 3. 2 软管甩鞭现象 95

4. 3. 3 软管意外脱落 96

第二篇空中加油流场环境

第五章 空中加油流场分析 98

5. 1 大气扰动 98

5. 1. 1 紊流 98

5. 1. 2 阵风 100

5. 1. 3 大气扰动对受油机的影响 101

5. 2 空中加油机尾流概述 102

5. 2. 1 空中加油机尾流的组成 102

5. 2. 2 尾流研究方法 104

5. 3 受油机机头头波概述 107

第六章 加油机尾流数学模型 109

6. 1 发展之初的尾流速度模型 109

6. 1. 1 附着涡系产生的诱导速度 109

6. 1. 2 尾涡系产生的诱导速度 110

6. 1. 3 马蹄涡模型的尾流速度 111

6. 2 尾涡对形成后的尾流速度模型 112

6. 3 加油过程中的尾流速度模型 113

6. 3. 1 受油机飞行区域 113

6. 3. 2 中间区域的尾流速度模型 114

6. 4 尾流对受油机的等效气动作用 118

6. 4. 1 受油机上的尾流速度分布 118

6. 4. 2 尾流等效气动效应计算 120

6. 4. 3 等效气动效应法原理证明 123

6. 4. 4 等效气动效应法有效性验证 124

第七章 加油机尾流 CFD 模拟 127

7. 1 计算流体力学基础 127

7. 1. 1 纳维 -斯托克斯(N - S)方程组 128

7. 1. 2 流体与流动的基本特性 128

7. 1. 3 湍流模拟方法 129

7. 2 KC -135 加油机三维模型建立 132

7. 2. 1 三维建模方法分析 132

7. 2. 2 KC -135 各部件的建模与组装 134

7. 3 加油机尾流数值模拟方法研究 136

7. 3. 1 尾流数值模拟预处理 136

7. 3. 2 不同 CFD 方案模拟结果对比分析 140

7. 3. 3 方法精确性验证 145

7. 4 加油机整机尾流场数值模拟及验证 148

7. 4. 1 整机尾流场数值模拟 148

7. 4. 2 尾流场精确性验证 149

7. 5 加油机整机尾流特性分析 150

7. 5. 1 尾流场几何特性 150

7. 5. 2 尾流场速度特性 153

7. 6 基于尾流数值模拟的受油机气动影响建模 159

7. 7 受油机头波效应 CFD 模拟 162

7. 7. 1 受油机三维模型建立 162

7. 7. 2 数值计算及方法验证 163

7. 7. 3 受油机头波流场特性分析 164

第三篇空中加油系统动力学模型

第八章 变质量飞行器动力学模型 169

8. 1 数学预备知识 169

8. 1. 1 矢量点乘与叉乘 169

8. 1. 2 坐标旋转变换 171

8. 1. 3 矢量微分 172

8. 2 受油机动力学建模 173

8. 2. 1 常用坐标系 173

8. 2. 2 外力和外力矩 174

8. 2. 3 变质量运动方程 180

8. 2. 4 运动方程的线性化 190

8. 3 数值仿真 195

8. 3. 1 LQR 航迹控制器设计 195

8. 3. 2 仿真分析 196

第九章 软式加油设备动力学建模与控制 202

9. 1 软管锥套组合体动力学建模 202

9. 1. 1 建模假设与坐标定义 202

9. 1. 2 运动学分析 203

9. 1. 3 动力学分析 204

9. 1. 4 外力分析 205

9. 2 软管卷盘响应控制原理 207

9. 2. 1 恒力弹簧响应控制原理与缺陷分析 207

9. 2. 2 电机驱动与控制目标转换 208

9. 3 基于指令滤波反推—滑模的甩鞭抑制方法 209

9. 3. 1 PMSM 指令滤波反推—滑模转角控制律设计 209

9. 3. 2 工作域的稳定性证明 212

9. 4 数值仿真 213

9. 4. 1 静态特性仿真 213

9. 4. 2 头波影响下的锥套运动规律 218

9. 4. 3 软管甩鞭现象 222

9. 4. 4 PMSM 指令滤波反推—滑模甩鞭现象抑制 228

第十章 硬式加油设备动力学建模与控制 232

10. 1 伸缩套管建模 232

10. 1. 1 扰动分析 233

10. 1. 2 大气扰动下的数学模型 233

10. 2 伸缩套管 H肄控制律 241

10. 2. 1 控制律设计原理 241

10. 2. 2 不确定性建模 241

10. 2. 3 H肄俯仰控制律 242

10. 2. 4 H肄滚转控制律 243

10. 3 数值仿真 244

10. 3. 1 鲁棒稳定性分析 244

10. 3. 2 鲁棒性能分析 245

第四篇人工空中加油飞行控制

第十一章 气动特性分析与控制结构规划 248

11. 1 气动特性分析 249

11. 1. 1 纵向气动特性 249

11. 1. 2 侧向气动特性 251

11. 1. 3 惯性交感现象 253

11. 2 控制律结构总体规划 255

11. 2. 1 控制律功能结构总体设计 255

11. 2. 2 基于动压的增益调度策略 256

第十二章 纵向通道控制律设计 258

12. 1 纵向控制增稳指令构型 258

12. 2 纵向指令支路设计 258

12. 2. 1 杆力杆位移特性设计 258

12. 2. 2 指令梯度设计 259

12. 2. 3 指令限制器设计 259

12. 2. 4 指令响应模型与人工配平设计 259

12. 3 纵向反馈支路和前向支路设计 260

12. 3. 1 控制增稳控制律设计 260

12. 3. 2 迎角/过载限制器设计 261

12. 4 纵向飞行品质评价 264

12. 4. 1 纵向飞行品质要求 264

12. 4. 2 仿真分析 265

12. 4. 3 控制参数增益调度曲线设计 … 268

第十三章 侧向通道控制律设计 269

13. 1 侧向控制增稳控制律构型 269

13. 2 侧向指令支路设计 … 269

13. 2. 1 滚转通道指令支路设计 … 269

13. 2. 2 航向通道指令支路设计 … 271

13. 3 侧向反馈支路和前向支路设计 272

13. 3. 1 滚转通道反馈支路和前向支路设计 272

13. 3. 2 航向通道反馈支路和前向支路设计 273

13. 3. 3 滚转、偏航交联解耦… 273

13. 4 侧向飞行品质评价 … 274

13. 4. 1 侧向飞行品质要求 … 274

13. 4. 2 仿真分析 … 275

第十四章 控制律验证与加油模态改进… 279

14. 1 控制增稳模态验证与改进 279

14. 1. 1 使用、可用包线内控制律验证… 279

14. 1. 2 失速/过失速控制律验证与改进 281

14. 1. 3 基于 FlightGear 的仿真试飞试验 … 287

14. 2 空中加油模态控制律设计 291

14. 2. 1 “比例冶式和“比例 积分冶式控制思路的区别 291

14. 2. 2 纵向空中加油模态控制律设计 293

14. 2. 3 侧向空中加油模态控制律设计 297

第五篇自主空中加油飞行控制

第十五章 自组织近似指令滤波反推控制 300

15. 1 高阶单输入、单输出系统… 301

15. 1. 1 预备知识 … 301

15. 1. 2 问题描述 … 301

15. 1. 3 局部权重学习算法 … 302

15. 1. 4 在线自组织近似指令滤波控制 304

15. 1. 5 稳定性证明 307

15. 1. 6 应用仿真算例 … 313

15. 2 高阶多输入、多输出系统… 317

15. 2. 1 预备知识 … 317

15. 2. 2 问题描述 … 317

15. 2. 3 局部权重学习算法 … 318

15. 2. 4 在线自组织近似指令滤波控制 320

15. 2. 5 稳定性证明 324

15. 2. 6 应用仿真算例 … 330

第十六章 自主对接飞行控制系统设计… 336

16. 1 基于有限状态机的航迹指令生成器 336

16. 1. 1 控制过程描述 … 336

16. 1. 2 相对航迹控制目标转换 … 337

16. 1. 3 近距对接参考轨迹设计 … 339

16. 1. 4 航迹指令生成器的程序实现 … 340

16. 2 基于自组织近似指令滤波反推的航迹跟踪 … 340

16. 2. 1 受油机模型变换 340

16. 2. 2 函数近似器定义 342

16. 2. 3 控制律设计 343

16. 2. 4 稳定性证明 346

16. 2. 5 控制系统结构图 352

16. 3 综合仿真分析 … 352

16. 3. 1 不考虑紊流和头波的情况 354

16. 3. 2 考虑紊流和头波的情况 … 361

16. 3. 3 在线自组织近似域大小的影响 370

参考文献 372

致谢 378" 2100433B

本书总结了作者及所在科研团队十多年来在空中加油动力学与控制研究领域所 取得的部分成果,较为全面系统地介绍了空中加油技术的作战使用、历史发展和工程 实践等基本知识; 加油机尾涡流场、受油机头波效应的Hallock - Burnhan 理论模拟和 CFD 数值模拟方法;变质量飞行器、软管锥套组合体和加油硬管的动力学建模仿真 方法;人工电传控制增稳模态控制律设计与空中加油模态改进方法;针对高阶多输 入、多输出仿射非线性系统的在线自组织近似指令滤波反推非线性控制理论及其在 受油机对接飞行航迹控制中的应用。此外,各部分内容均安排翔实的仿真应用,便于 读者理解掌握。 本书以空中加油动力学与控制最新理论为主线,同时包含流体力学、系统动力学 建模、飞行控制、非线性控制等相关前沿方法,能够帮助空中加油爱好者尽快入门,适 合从事飞行控制、非线性控制、动力学建模等研究领域的研究生、科研人员仔细研读, 对于空中加油工程技术发展也具有一定指导作用。