舰载起降多体动力学张量建模与仿真

admin · 发表于 2024-3-4 09:14:09

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舰载飞机在航母上起降，是一项高风险的飞行科目。航母是活动的平台，甲板提供相对短的起降跑道；舰载飞机采用滑跃或弹射起飞方式，陡下滑，硬接舰，拦阻着舰，起落架载荷受到舰船和飞机运动的影响；而且，航母运动会诱导出周围特有的干扰风场。这些都使得舰载起降变得相当复杂和困难，安全性大大降低。因此，对涉及航母、飞机、起落架等多个相互耦合运动实体的复杂系统进行仿真研究，是航母/舰载机系统设计和飞行训练必不可少的手段。本文首先提出了基于多Agent系统（Multi-Agent Systems，MAS）的舰载起降仿真建模框架。将航母、舰载机、海洋和大气及其内部结构等各物理实体抽象为具有相对独立性的Agent仿真实体，并按照实体间的相互作用逻辑关系分为聚合Agent和元Agent等多层结构。在复杂系统中普遍使用的基于MAS的建模仿真框架，不但便于仿真系统的扩展和Agent模块的重用，而且便于具备不同特征和内部细节的多学科细化模型的建立，及其组成的复杂大系统的联合仿真。为具有多种动态系统、多种导引控制系统以及多人机协同的舰载起降复杂大系统的建模仿真提供了一条新思路。其次，运用飞行力学张量建模新方法，建立了固定翼舰载飞机在航母上起降的统一的多体动力学数学模型。包括舰载起降过程中的主要实体，航母运动、舰载机、起落架、弹射器、拦阻力等动力学模型，以及风场干扰和滑跃斜板约束等。该模型可用于舰载滑跃起飞、弹射起飞，以及进舰着舰拦阻等舰载起降的全过程，具有完整统一的形式。同时发挥张量建模坐标系独立、简明清晰以及便于矩阵运算的优势，提高了模型的易用性和通用性。针对倾转旋翼机相对运动实体多的特点，建立了倾转旋翼机本体、左右倾转短舱、左右旋翼以及起落架相关运动部件的多刚体系统动力学张量数学模型。运用多刚体动力学的建模方法，分别建立了各运动实体的动力学微分方程，保持各运动体的相对独立性，使其与MAS仿真框架相对应，便于仿真模块的维护、扩展和重用。最后，将该模型运用于受航母运动甲板限制和周围风场扰动影响的特殊环境中，进行了不同短舱倾转角的滑跑起飞仿真及结果分析。本文还对比选择了Matlab/Simulink动态系统实时仿真建模工具，应用舰载起降多体动力学系统基于MAS的仿真框架，将以上张量形式的多体动力学数学模型转化为Simulink集成环境中的模块化层次仿真模型，实现了固定翼舰载飞机和倾转旋翼机舰载起降的实时仿真软件。该仿真实现方式可以充分利用Matlab动态系统设计和分析的功能，并能低成本快速开发实时仿真原型，可重用性和扩展性强。论文最后，给出了有人操纵的仿真试验结果。

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