气动伺服弹性研究的进展与挑战_杨超_黄超_吴志刚_唐长红
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航
空
学
报
Ａ
ｐｒ．２５
２０１５Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．４
１０１１
－１０３３Ａｃｔａ
Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ
ｅｔ
Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ
Ｓｉｎｉｃａ
ＩＳＳＮ
１０００
－６８９３
ＣＮ
１１
－１９２９／
Ｖ
收稿日期：２０１４
－０７
－２４；
退修日期：２０１４
－０８
－１２；
录用日期：
２０１４
－０９
－０７；
网络出版时间：
２０１４
－０９
－２９
１６：
５７
网络出版地址：
ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／
ｋｃｍｓ／
ｄｅｔａｉｌ／
１０．７５２７／
Ｓ１０００
－６８９３．２０１４．０２４８．ｈｔｍｌ
＊通讯作者
．Ｔｅｌ．：
０１０
－８２３１７５２８
Ｅ
－ｍａｉｌ：
ｙａｎ
ｇｃｈａｏ
＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
引用格式：
Ｙａｎ
ｇ
Ｃ，
Ｈｕａｎ
ｇ
Ｃ，
Ｗｕ
Ｚ
Ｇ，
ｅｔ
ａｌ．Ｐｒｏ
ｇｒｅｓｓ
ａｎｄ
ｃｈａｌｌｅｎ
ｇｅｓ
ｆｏｒ
ａｅｒｏｓｅｒｖｏｅｌａｓｔｉｃｉｔ
ｙ
ｒｅｓｅａｒｃｈ［
Ｊ］
．Ａｃｔａ
Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａ
ｅｔ
Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ
Ｓｉｎｉｃａ，
２０１５，
３６（
４）：
１０１１
－１０３３．杨超，
黄超，
吴志刚，
等
．气动伺服弹性研究的进展与挑战［
Ｊ］
．航空学报，
２０１５，
３６（
４）：
１０１１
－１０３３．ｈｔｔ
ｐ：／／
ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
ｈｋｘｂ
＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ
ＤＯＩ：
１０．７５２７／
Ｓ１０００
－６８９３．２０１４．０２４８
气动伺服弹性研究的进展与挑战
杨超
１，
＊，
黄超
１，
吴志刚
１，
唐长红
２
１．北京航空航天大学航空科学与工程学院，
北京
１００１９１
２．中航工业第一飞机设计研究院，
西安
７１００８９
摘
要：
飞机、
导弹等飞行器的气动伺服弹性（
ＡＳＥ）
问题源于空气动力、
结构弹性以及控制系统之间的复杂耦合。
随着
飞行器朝着结构更轻、
速度更快、
性能更好的目标发展，
该问题日益突出，
直接影响飞行安全与性能。
经过六十余年的研
究，
国内外在
ＡＳＥ分析、
综合与试验方面取得了卓有成效的进展。
近十余年来，
若干新问题因非常规构型飞行器设计的
发展而暴露出来，
对
ＡＳＥ研究施加巨大挑战，
值得重点分析。
鉴于此，
讨论了
ＡＳＥ分析中的刚弹耦合、
非线性、
推力矢
量以及系统辨识等问题，
对
ＡＳＥ综合中的阵风减缓、
颤振主动控制和
ＡＳＥ优化问题加以阐述，
强调了
ＡＳＥ试验中需要
重视的技术，
简要介绍了近十余年国外代表性的
ＡＳＥ试验项目案例，
指出了一些
ＡＳＥ研究的新动向，
并对国内的
ＡＳＥ
研究给出了建议。
关键词：
飞行器；
气动弹性；
气动伺服弹性；
主动控制；
阵风减缓；
颤振抑制
中图分类号：
Ｖ２１５．３
文献标识码：
Ａ
文章编号：
１０００
－６８９３（
２０１５）
０４
－１０１１
－２３
飞行器气动／
结构／
控制的设计、
分析与试验
是贯穿航空发展的主要问题。
气动弹性，
这一涉
及空气动力与弹性结构之间相互作用的问题，
对
飞行器的安全与性能起着举足轻重的影响［
１］。
自
２０世纪
３０年代提出“
气动弹性”
一词以来，
气动
弹性研究已取得长足进步。
自
２０世纪
５０年代起，
自动控制技术大量应
用于导弹，
气动弹性与控制系统的耦合问题开始
浮现。
２０世纪
７０年代起，
宽频带伺服控制系统
开始应用于飞机。
飞行器结构弹性振动信号与刚
体运动信号一起被传感器接收，
经飞行控制系统
处理后驱动舵面偏转。
舵面在低频偏转的基础上
附加高频偏转，
而高频非定常舵面激励引起结构
进一步的弹性振动。
这种气动／
结构／
控制的耦合
使飞行器设计遭遇新的气动弹性问题，
称为气动伺服弹性（
Ａｅｒｏｓｅｒｖｏｅｌａｓｔｉｃｉｔ
ｙ，
ＡＳＥ）［
２］。
较导弹而言，
飞机的结构弹性频率相对较低，
ＡＳＥ问题更为复杂，
近几十年来研究亦相对较
多。
不过，
两者在
ＡＳＥ原理上是一致的，
在设计
规范中均有严格的要求。
２００３年正值莱特兄弟“
飞行者一号”
首飞成
功一百周年，
美国航空航天学会专门在旗下期刊
《
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ａｉｒｃｒａｆｔ》
上发表了一系列有关于气动
弹性现象［
３］、
气动弹性分析［
４－７］
和气动弹性试
验［
８－９］
等方面的专题综述。
这些综述中部分涉及
ＡＳＥ问题，
并对
ＡＳＥ研究的未来走向予以一定
展望［
１０］。
目前，
ＡＳＥ研究状况较十余年前又有了
新发展，
有必要对其加以总结，
供相关科研机构在
日后工作中加以参考。
鉴于此，
本文主要论述飞
行器
ＡＳＥ研究现状，
展现
ＡＳＥ研究在分析、
综合
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与试验方面的若干进展与挑战，
力图深化国内航
空航天研究人员对
ＡＳＥ问题的认识。
１
气动伺服弹性概述
ＡＳＥ系统可定义为一个具有反馈控制的气
动弹性系统，
如图
１所示。
习惯上，
把受包含空气动力等外力作用的弹性飞行器本体称为开环
ＡＳＥ系统，
而将该开环系统与传感器、
舵机以及
飞行控制系统闭合后形成的系统称为闭环
ＡＳＥ
系统。
图
１
气动伺服弹性（
ＡＳＥ）
系统
Ｆｉ
ｇ．１
Ａｅｒｏｓｅｒｖｏｅｌａｓｔｉｃｉｔ
ｙ（
ＡＳＥ）
ｓ
ｙｓｔｅｍ
文献［
１１］
～文献［
１３］
对目前常用的
ＡＳＥ系
统建模方法进行了阐释，
其基本思路实质上就是
将各子系统模型根据输入输出关系进行连接组
装。
其中，
弹性飞行器的气动弹性运动方程通常
建立在广义坐标下，
其中广义坐标对应的模态一
般取所关注频率范围内的所有固有模态。
工程上
偏向采用基于谐振荡假设的线性方法（
如偶极子
格网法）
计算非定常气动力，
得到一组与减缩频率
和马赫数相关的离散气动力影响系数矩阵。
这些
频域复矩阵可通过有理函数近似转化为时域的状
态空间方程。
伺服舵机往往表示为二阶或三阶系
统。
传感器测量的信号主要有姿态角速度、
质心
处过载以及结构关键部位应变等。
与
ＡＳＥ相关
的飞行控制系统主要涉及增稳控制通道与姿态控
制通道，
一般不考虑制导控制通道。
ＡＳＥ主要分为两类问题。
在
ＡＳＥ研究初
期，
主要是在给定飞行器参数的情况下，
通过计算
或试验校核其在规定飞行状态下的闭环系统气动
弹性稳定性或动响应特性，
并修改相关参数以消
除不利影响。
这类问题称为
ＡＳＥ的分析问题，
也
是当前飞行器设计中最为基本的任务。
随着对气
动弹性机理认识的深入，
ＡＳＥ研究逐渐转向借助
主动控制，
通过控制律设计排除潜在不利耦合，
同
时实现减重、
增稳以及减阻等既定的性能目标。
这类问题称为
ＡＳＥ的综合问题，
也代表着当前飞行器设计的先进理念。
没有试验验证的
ＡＳＥ理论和方法是不完美
的。
在
ＡＳＥ试验研究上，
美国走在了世界前列。
表
１对
２０世纪美国实施的代表性
ＡＳＥ试验项目
予以归纳。
这些试验以型号预研为牵引，
持续时
间长，
研究内容多，
而且将所得到的成果及时地向
型号研制单位进行了工程转化，
开发或完善了诸
如
ＮＡＳＴＲＡＮ［
１４］、
ＳＴＡＲＳ［
１５］
以及
ＺＡＥＲＯ［
１６］
等
一系列气动弹性／
ＡＳＥ分析程序，
最终为
Ｂ
－２轰
炸机［
１７］、
Ｆ／
Ａ
－１８舰载机［
１８］
和
Ｆ
－２２战斗机［
１９］
等
先进型号提供了强大的技术支持。
表
１
２０世纪美国实施的代表性
ＡＳＥ试验项目
Ｔａｂｌｅ
１
２０ｔｈ
ｃｅｎｔｕｒ
ｙ’
ｓ
ｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ
ＡＳＥ
ｔｅｓｔ
ｐｒｏ
ｇｒａｍｓ
ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ
ｉｎ
ＵＳＡ
Ｔｅｓｔｉｎ
ｇ
ｍｏｄｅｌ／
ｖｅｈｉｃｌｅ
Ｄｕｒａｔｉｏｎ
Ｂ
－５２ＣＣＶ［
２０－２１］
１９７１—
１９７４
Ｃ
－５Ａ［
２２］
Ｅａｒｌ
ｙ
１９７０ｓ
ＹＦ
－１７［
２３］
１９７７—
１９７９
ＤＡＳＴ［
２４－２５］
１９７０ｓ—
ｍｉｄ
１９８０ｓ
ＡＦＷ［
２６－２７］
１９８５—
１９９２
ＢＡＣＴ［
２８－２９］
Ｌａｔｅ
１９９０ｓ
ＡＡＷ［
３０－３１］
１９９６—
２００６
Ｎｏｔｅｓ：
ＣＣＶ（
Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｃｏｎｆｉ
ｇｕｒｅｄ
Ｖｅｈｉｃｌｅ）；
ＤＡＳＴ（
Ｄｒｏｎｅｓ
ｆｏｒ
Ａｅｒｏｄ
ｙｎａｍｉｃ
ａｎｄ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｔｅｓｔｉｎ
ｇ）；
ＡＦＷ（
Ａｃｔｉｖｅ
Ｆｌｅｘ
－
ｉｂｌｅ
Ｗｉｎ
ｇ）；
ＢＡＣＴ（
Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ
Ａｃｔｉｖｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
－
ｇｙ）；
ＡＡＷ（
Ａｃｔｉｖｅ
Ａｅｒｏｅｌａｓｔｉｃ
Ｗｉｎ
ｇ）
．
２
气动伺服弹性的分析问题
飞行器动态特性表征的准确与否直接关系到
ＡＳＥ分析的成败。
在常规飞机和导弹的
ＡＳＥ系
统建模中，
一般认为：
①刚体运动频率与结构弹性
振动频率之间存在显著分离，
理论上相差一个数
量级而工程上相差
３倍即可，
其一般称为“
刚弹分
离假设”；
②整体表现为随动压变化的线性系统；
③外力主要是气动力与惯性力。
因此，
分析主要
关注的是结构弹性振动频率特别是低频振动频率
范围内的系统特性，
而在建模中普遍采用结构小
变形和气动小扰动的线化假设，
并且不计推力对
结构的激励作用。
就具体的
ＡＳＥ分析方法而言，
主要分为两
类：
一类是针对状态空间模型以根轨迹图或时间
响应历程为结果的时域方法；
另一类是针对传递
函数模型以幅相特性曲线为结果的频域方法，
也
是目前工程上最为青睐的方法。
基于结构奇异值
