【技术实现步骤摘要】
本专利技术专利属于超声速飞行器外型设计领域，涉及一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法。
技术介绍
1、飞行器舵是一种用于控制飞行器飞行姿态的机械设备，它是飞行器的重要组成部分。它的作用是在飞机降落和起飞时调整姿态和方向，以及在飞行中修正飞行姿态和进行小角度转向。在飞行器中，舵是一种重要的飞行控制系统，它通过调整飞行器的姿态和方向，实现飞行器在空中的导航和操纵。舵的种类很多，如升降舵、方向舵、副翼等，它们各自的作用原理也略有不同。空气舵是一种广泛应用于航空、航天领域的飞行器控制系统，它的作用是通过控制空气流动来改变飞行器的姿态和航空方向。空气舵是调整飞行姿态的重要部件，舵效预测方法是提升空气舵设计效率的主要技术手段。
2、基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测相比传统的十字舵效预测方法，其速度较为快捷，计算较为简洁。目前，经典“十字”布局的舵效预测方法已发展较成熟，其中水平舵只影响俯仰力矩、垂直舵只影响偏航力矩，二者相对独立，因此其预测原理较简单。
3、随着对机动能力需求的进一步增加，以及诸多新概念飞行器造型对空气舵安装部位的限制，需要进一步发展基于随机安装角的高马赫数飞行器空气舵，而其不同舵面安装角下，舵产生的力、力矩增益将对俯仰/偏航等机动飞行动作产生复合影响，因此其舵效预测机理较复杂，目前尚未提出一种简洁的复合舵效影响预测方法。
4、因此本专利技术采用基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法进行分析，得出飞行器舵在各种情况下受的力及力矩变化，进而可以精确推导出设计参数与舵效之间
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提出了一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，通过随机安装角下的舵面气动载荷分析，进行舵在机体/绝对坐标系下的分解、合成与转换，继而将机体各舵的效果耦合处理，最终完成舵效预测。本专利技术基于随机周向安装角，对任意形状、面积的空气舵均可快速预测其对飞行器力/力矩特性的增益效果预测。
2、技术方案：本专利技术公开了一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，包括如下步骤：
3、步骤一、进行随机安装角的飞行器舵面气动载荷分析，包括舵的来流夹角和气动载荷计算；
4、步骤二、进行飞行器单个舵受力的分解/合成与转换，并对单舵偏增益进行估算；
5、步骤三、进行飞行器多舵效果耦合分析，包括舵的安装角度、舵效耦合分析计算。
6、进一步的，所述步骤一中，飞行器的舵形状包括舵轮廓、舵厚度、舵前缘；
7、所述舵轮廓，包括但不限于梯形舵、弧形舵、三角舵；所述舵厚度，近机体侧厚度须大于舵转轴直径，远机体侧须从较大的厚度过渡到钝化前缘的厚度；所述舵前缘，基于热防护考虑，需要采用一定直径(≥10mm)的钝化前缘。
8、进一步的，所述步骤一中，运用已知参数：飞行攻角α、飞行侧滑角β、舵偏角δ以及舵安装角θ，进行计算舵的来流夹角，计算方法如下：
9、步骤1)、在来流方向：
10、
11、
12、其中，t1是速度坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵，是来流方向在机体坐标系下的表示；
13、步骤2)、在舵偏方向：
14、
15、
16、其中，t2是单舵坐标系到机体坐标系的旋转变换矩阵，是舵面法向在机体坐标系下的表示；
17、步骤3)、最后推导得出舵的来流夹角k：
18、
19、进一步的，所述步骤一中，气动载荷计算；
20、已知舵与来流夹角k、马赫数m∞、来流静压p∞、舵面积s、比热比γ，运用激波/膨胀波理论进行计算，得出舵在一定来流条件下的受力。可将舵看作为平板结构，平板与来流方向的夹角为k(k>0)，求出舵所受的法向力f，将f视为有关夹角k的函数，即f＝f(k)；计算流程如下：
21、步骤1)、根据斜激波公式，求出斜激波角b，
22、
23、然后运用下式，得出压强pj的数值：
24、
25、步骤2)、根据膨胀波公式，计算出膨胀波波后静压pp：
26、步骤2.1)在膨胀波后区域中，运用普朗特——迈耶函数关系式，计算出v(m∞)：
27、
28、其中，ν(m∞)为普朗特——迈耶函数；
29、步骤2.2)根据来流马赫数m∞求得膨胀波后马赫数mp：
30、ν(mp)＝ki+ν(m∞) (9)
31、mp＝ν-1[ν(mp)] (10)
32、其中，ν(mp)为普朗特——迈耶函数，ν为普朗特迈耶角；
33、步骤2.3)气流流经膨胀波前后总体压强相等，根据等熵关系式，可分别得到膨胀波前后总压与静压的关系，即与
34、
35、
36、其中，p0∞为膨胀波波前总压，p0p为膨胀波波后总压；
37、步骤2.4)、再由下式求得pp：
38、
39、步骤3)、最终法向力f通过计算压强与面积的乘积计算得出：
40、
41、
42、其中，为积分求面积公式；s表示舵面积。
43、进一步的，所述步骤二中：
44、(1)单个舵的受力分解/合成与转换，是指将任意安装角、任意舵偏下所受的合力，分解为随体坐标系下的xyz轴的三个力分量，其中包括三向力fx0、fy0、fz0与三向力矩mx0、my0、mz0；根据飞行高度、马赫数、攻角和侧滑角可得知三向力fx0、fy0、fz0与三向力矩mx0、my0、mz0。
45、已知参数：飞行高度h、马赫数ma、飞行器原点到n个舵质心长度在x轴上投影的距离lx，飞行器中轴线到舵心的距离lzy；
46、(2)单舵进行舵偏增益估算。
47、根据步骤一中计算所得舵的法向力，得出在俯仰/偏航复合效应下的估算结果。由于所得数据为飞行器在单个舵无舵偏时所得结果，计算过程中应以仿真数据为基准，所以减去单个舵无舵偏时的力增益，再加上单舵在舵安装角下的力增益，所得结果为飞行器理论上在安装舵角下所受力。
48、飞行器在飞行时，飞机舵会产生一定的偏角，而在cfd计算中通常为带舵计算，舵为0偏，所以在进行舵效计算时除了加上所要计算的舵偏的受力，还要再额外减去0舵偏时的受力。
49、在单个舵的受力分解/合成与转换及已知参数条件下，单舵偏增益估算方法如下：
50、步骤1)计算俯仰\偏航效应下三向力；
51、在俯仰\偏航效应下，fx为在x方向，飞行器所受到的力；fy为在y方向，飞行器所受到的力；fz为在z方向，飞行器所受到的力；计算公式如下：
52、fx＝fx0+f(k)sinδ (16)
53、在x方向时的力，单个舵无舵偏时无增益，只需加上单舵受力在x向的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，飞行器的舵形状包括舵轮廓、舵厚度、舵前缘；所述舵轮廓包括但不限于梯形舵、弧形舵、三角舵；所述舵厚度，近机体侧厚度须大于舵转轴直径，远机体侧须从较大的厚度过渡到钝化前缘的厚度；所述舵前缘，需要采用直径≥10mm的钝化前缘。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，运用已知参数：飞行攻角α、飞行侧滑角β、舵偏角δ以及舵安装角θ，进行计算舵的来流夹角，步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，气动载荷计算，已知舵与来流夹角k、马赫数M∞、来流静压P∞、舵面积S、比热比γ，运用激波/膨胀波理论进行计算，求出舵所受的法向力F，将F视为有关夹角k的函数，即F＝f(k)，计算流程如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效
6.根据权利要求5所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤三中，对舵进行周向的随机安装，以z轴为基准，逆时针旋转，飞行器的随机舵安装角为θi，i＝{1，2，····，n}，多个舵进行舵效耦合计算公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，飞行器的舵形状包括舵轮廓、舵厚度、舵前缘；所述舵轮廓包括但不限于梯形舵、弧形舵、三角舵；所述舵厚度，近机体侧厚度须大于舵转轴直径，远机体侧须从较大的厚度过渡到钝化前缘的厚度；所述舵前缘，需要采用直径≥10mm的钝化前缘。
3.根据权利要求1所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，运用已知参数：飞行攻角α、飞行侧滑角β、舵偏角δ以及舵安装角θ，进行计算舵的来流夹角，步骤如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于随机安装角的高马赫数飞行器舵效预测方法，其特征在于，所述步骤一中，气...
【专利技术属性】
技术研发人员：俞宗汉，孙佳鑫，崔景芝，张伟，孙海亮，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。