美国CVN 21航母与飞机弹射系统概
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原文地址：美国CVN--21航母与飞机弹射系统概述(转)作者：一见如故
美国CVN-21航母与飞机弹射系统概述
选自[全球军事快讯]
合众国际社报道，标准的美国"尼米兹"级航空母舰每艘的造价约为六十亿美元，美国的下一代航空母舰CVN-21的造价大约是这个数字的两僧。后面还有战机、舰员培训以及支援和保护航空母舰的其它水面舰只的费用。
从理论上说，中国可能对美国海军在太平洋的传统优势构成挑战。有人认为，建造航空母舰会使中国的预算无法承受，但是，这种观点不能完全令人信服。
报道认为，如果中国选择这样做，他们可能会得到美国海军的帮助。基廷上将访华时曾说，如果中国决定这样做，美国将愿意助一臂之力。
美国有一派的观点欢迎中国投巨资建造航空母舰，理由是中国人可能会需要长达二十年的时间才能造出这些舰只和飞机，培训舰上人员，学习操作航空母舰的战术，他们将很难赶上已经有八十年航空母舰经验的美国海军。
另一些人认为，引诱中国建设这样一支海军是一个聪明的财政陷阱，会在未来几十年里使中国的国防预算无法承受并使之扭曲，未来中国的航母对美国占优势的隐形攻击潜艇来说也是巨大的目标。
还有一种观点认为，在隐形潜艇以及快速鱼雷和精密制导武器的时代，大型航空母舰已经过时。
有人认为，建造航空母舰会使中国的预算无法承受，但是，这种观点不能完全令人信服。
基廷指出，美国在这方面的经验领先全球，但美国海军在设计、建造航空
母舰、配备飞机和训练航海船员及飞行人员，仍要花十年以上的时间。基廷说："如果中国要做这件事，将会是个非常艰难的工程。"
目前，蒸汽弹射器、阻拦索及大型升降机等关键技术，就算是海军强国也
很难掌握建造航母所有关键领域的技术，法国建造的"戴高乐"号核动力航母，
其蒸汽弹射器也是从美国进口的。
蒸汽弹射器实际就是一台往复式蒸汽机，只不过其动力冲程很长。蒸汽弹
射器由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等部分组成。工
作时，由锅炉产生高压蒸汽，并把这种高压蒸汽储存在蒸汽室里，弹射前，用
拖索将舰载机钩在往复车上，一旦将高压蒸汽充入汽缸筒，蒸汽的巨大压力推
动活塞，活塞带动往复车，往复车带动舰载机飞速向前滑动，从而将飞机弹射
出去。如美国的C-13型蒸汽弹射器，可将36.3吨重的舰载机以185节(即339
公里/小时)的高速弹射出去。目前，美国海军的航空母舰弹射一架飞机仅需30
秒种。
为与发射系统配套，航空母舰的甲板上还设有喷气偏流板。(就是挡板)这
种安装在弹射台后方的偏流板又称为燃气导流板。飞机在起飞前，将支起这个
偏流板，用以挡住起飞时马力开得最大的喷气式舰载机向后喷射出的高温燃气流，以防对人员和甲板造成危害。每个弹射器后面有一组共3块偏流板。单发
动机的航母舰载机起飞时需支起3块偏流板。为防止高温燃气烧坏挡板，挡板
还装有供循环冷却水流动的格状水管。目前美国使用的这种水冷式喷气偏流板，当正在升起时能承受94.4千牛的喷气推力，若完全升起后，能承受400千牛的喷气推力。该板放下后与飞行甲板齐平，能承受31.572吨重的飞机在中等海况下从上面通过或静止不动地压在板上。在恶劣情况下，飞机一般不允许压在该
板上。
航母的蒸汽弹射器是一根70米长的钢管。当然是很多节接起来的。当它在工作的时候，蒸汽推动活塞在70米的距离上高速运行，把一架40吨质量的重
型舰载机在不到100米的距离上加速到足以升空的250千米每小时的速度，尽
管母舰航行的35节的速度和逆风获得的相速度可以减轻一些蒸汽弹射器的负担，但是毫无疑问，蒸汽弹射器就是一套高速高压长距离的气动活塞系统。
简要叙述一下加工这样一套系统需要哪些技术：高精度的内圆磨床和内孔
磨削技术：在机械加工领域，内孔加工的难度要远远大于外圆加工。这是常识。蒸汽弹射器是高压高速系统，汽缸筒不能简单地用一根钢管车削内圆和磨削内圆，汽缸内壁既然承受着剧烈的摩擦和高压，那么，汽缸筒毛坯应当是精密锻件。然后，内壁表层一定要加工掉，去掉脱碳层。还可能需要用高速钢丸击打
内壁表面，以强化表层。材料的冶炼和毛坯的锻造技术目前应当能够掌握。接着，要对这根钢管进行热处理并且在汽缸内壁进行氮化处理，形成高硬度的保
护层。
我们热处理技术相对落后，这么长的钢管热处理之后的尺寸精度和内部金
相组织都要满足苛刻的技术要求。估计这是个难点。我们在这方面缺乏先进技术。这些设备必定是专用的。进口像这样关键的专用设备美国一定卡得很紧，
花多少钱都不会卖给我们。然后要对钢管内壁进行机械加工，先粗车，后精磨，工序一定很多。尺寸精度要求很严，允许的误差很小。什么样的机床能高精度
磨削至少7米长的钢管内壁呢?并且这样的尺寸如何检测呢?如果把内壁加工成
类似糖葫芦那样的形状怎么办?钢管两头小中间大或者出现喇叭口形状怎么办?
当然这样的形位误差都是很小的，眼睛是看不出来的。加工类似于炮筒，但是
不要忘记，高膛压的炮筒寿命不超过10秒钟，蒸汽弹射器可是要长时间工作的。相对于活塞筒，活塞杆的加工略微简单。不过两者的配合精度肯定相当高。现
在假定这样的活塞筒和活塞杆都加工出来了。安装还是个大问题。母舰虽然巨大，可还是个柔性结构。在海上航行，船体结构经受风浪的巨大冲击，不可能
保持刚体。蒸汽弹射器活塞筒安装在柔性体上，怎样保证活塞筒连接的直线度
保持不变呢?美国佬必然有他们的绝招。而这都是秘而不宣的看家绝技。此外还有密封的问题，蒸汽腐蚀的问题，等等。
此外，航母还需要装备高性能的雷达系统和众多电子设备，绝大多数国家
恰恰在资讯产业技术领域处于发展不平衡的状态，像高速巨型电脑这样的关键
设备，世界上只有少数几个国家掌握，而且这种IT行业的"代差"是无法在短时期内消融的。
2006年9月5日，美国海军在华盛顿州的海军基地举行CVN-78航母设计
规格的认证仪式。由于CVN-78航母是美国下一代航母--CVN-21级的首舰，
CVN-78航母将最早于2014年9月进入美国海军服役。
据报道，兰德公司曾公布一份题为《现代化中的美国航空母舰舰队--加速CVN-21航母的生产》的报告，首次披露了CVN-21的三项全新技术：
1.电磁弹射系统在过去四十年里，美国航母一直沿用蒸汽动力弹射器对舰
载飞机进行弹射助推。航母弹射系统频繁使用，造成淡水大量损耗和弹射系统
疲劳，影响舰载机起降能力。现在使用的蒸汽弹射器只能弹射重量不超过七万
磅的飞机，由于弹射动能配置方面的限制，轻型飞机反而更难弹射。而且不能
够弹射当前美军使用的无人机。CVN-21级航母上将采用新的飞机弹射技术，这
种技术会让弹射器产生电磁波，电磁波能调节弹射器的长度。飞机弹射器的往
复轨道上附装一个电枢，通过电枢控制电磁波来调整弹射所必需的动力和速度。电磁弹射装置与蒸汽弹射器相比，弹射能量更大，效率更高。可以弹射比现在
更重或者更轻的飞机，无人机也能通过电磁弹射系统起飞执行作战任务。电磁
飞机弹射系统的研制目标是实现弹射功率达到12.4万千瓦，使飞机端速达到
55~220节，加速度峰值与均值之比为1.05，可用于弹射各种飞机(包括无人机
等轻型飞机)，周期为45秒。
1999年12月20日,美国海军海上系统司令部网站报道，诺斯鲁普"格鲁曼
公司于1999年12月10日签订一项价值61775261美元的成本加奖励的合同，
以便用于电磁飞机弹射系统(EMALS)计划的定义和减少风险阶段。该阶段计划构成是开发一个全尺度的、缩短长度的全集成的电磁飞机弹射系统的原型，该系
统将代替当前的蒸汽弹射系统用于CVNX航空母舰上。研究工作在加利福尼亚州的SUNNYVAL完成90%，在新泽西州的贺斯特湖海军航空试验站完成10%，预期
到2003年9月全部完成。该合同拨款不是在本财政年度结束完成。该合同进行竞争性采办，以38项建议、7项报价和两项奖励为依据。
美国海军航空作战中心的飞机部作为合同#N68335-00-C-0208的执行者。
另一项合同是同位于加利福尼亚州圣地亚哥的通用原子公司(GeneralAtomics)
签订的，合同价款61775261美元，也是成本加奖励合同。合同号为#N68335-
00-C-0189。其它完成日期和运作原则均与前一个合同相同。
美国海军电磁飞机弹射系统计划经过为期4年的计划定义和降风险阶段之后，2004年4月2日，在通用原子公司和诺斯罗普"格鲁曼公司两家企业之间，美国海军空战中心选择了通用原子公司的电磁飞机弹射系统(EMALS)方案。电磁
飞机弹射系统是为美国海军未来的CVN-21航母而设计的，在新航母上，将用4
具电磁飞机弹射系统代替4具传统的蒸汽弹射装置，用电磁脉冲来将飞机推至
起飞速度。据称，电磁飞机弹射系统背后的技术和概念在计划定义和降风险阶
段的末期已经得到认可。全尺寸电磁飞机弹射系统设备，包括储能装置和电力
转换系统，都在雷克胡德海军空战中心建造的半长弹射装置上进行了试验。蒸
汽弹射装置只能通过简单的阀门来释放蒸汽压力，极不均匀地将飞机快速推至
起飞速度，而电磁飞机弹射系统的能量可以更均匀地以各种方式在弹射过程中
加以控制，减小飞机因此而产生的应力，也缓解了机组人员的紧张程度。按照
美国海军目前的计划，这种电磁飞机弹射系统正式装舰使用的日期为2014年。[美国电气与电子工程师(IEEE)学会《SPECTRUM ONLINE网站》2004年11月12
日报道]2004年秋天，美国海军开始测试两套使航空母舰弹射飞机的方式发生
革命性变化的系统。美国海军的想法是利用直线感应电动机，通过一个先进的
储能系统的能量极高速运动将飞机弹射入空。电动机的概念类似磁悬浮列车系
统采用的技术。
2004年9月，两个系统的模型交付美海军航空系统司令部在新泽西州的赫
斯勒特湖实验站，在那里，电磁飞机弹射系统(EMALS)正在模拟弹射床上进行试验。完全是原型系统的功能，但只有半长弹射轨道，与103米长航空母舰上要
求的系统相反，是50米长。两个竞争的公司是圣地亚哥的通用原子公司和森尼维尔的诺斯罗普船用系统公司，各自竞争成为弹射器的独立合同公司。获得第
一的要用在未来的CVN-21航空母舰上，这是美海军下一代"全电力和全电子"化舰队的一部分。即使先进的核动力航空母舰今天还在使用几十年前的老技术--
蒸汽弹射，来加速它们的飞机--典型的有F-14"雄猫"和F/A-18"大黄蜂"，重量达33吨，在2-3秒加速到每小时240千米。蒸汽弹射器是一个混乱的蒸汽管路、阀和液压系统的迷宫，是属于火车技术的范围。它的爆发力来自非常大的由蒸
汽驱动的活塞，其弹射机大而笨重，效率很低。
电磁飞机弹射系统具有更好的性能和和弹射控制范围，适合弹射飞机的范
围很广。它将加速飞机的重量约在4.5~45吨，弹射速度在100~370千米/小时
之间，控制灵敏度灵活，这是蒸汽弹射器不能达到的。电磁飞机弹射系统的心
脏是103米长的直线感应电动机，它推动与飞机相连接的电枢。与磁悬浮列车
发展形成对照，磁悬浮列车的运动是漂浮在空气中，而电磁飞机弹射系统是与
滚轮接触，与一个滑架沿弹射器轨道的通道运行。通用原子公司和诺斯罗普船
用系统公司两家公司的设计中，电枢基本上是一个U形铝块，装在定子的3个
侧面。
电磁飞机弹射系统的直线电机是由旋转储能装置供应电力，该储能装置从
舰艇的配电系统获得电力。根据美海军电磁飞机弹射系统计划主任里查德"布什威说，初始的电磁飞机弹射系统概念包括飞轮和脉冲盘式发电机，后者避免使
用更传统的发电机转子储存能量系统。该计划主任又说，能量储存系统是一个
先进的技术成果，但在竞争评估阶段不便于谈论更多的技术细节，以免泄露专
利信息。
由旋转系统的动能变成电能，并由固态电力调节系统向定子提供一个巨大
的2~3秒的电脉冲。该系统必须每45秒不断地提供这样的电脉冲，以便与当前的蒸汽弹射器的能力匹配。
电力调节系统通过变换器将升高电压和频率的电流输入直线电机。通过给
马达电磁线圈供电生成一个随电枢运动的运动电磁波。驱动力来自高功率的可
控硅整流器，它能在高达几千伏的电压作用下产生几万安培的电流。由定子电
流形成的电磁场加速电枢。磁场推进的同时，推动电枢和它的支架沿马达的长
度运动，直到被弹射的飞机达到起飞速度为止。电磁飞机弹射系统具有不断监
视自身的闭路系统，连续调节速度和功率，以便适应每种飞机机型的弹射剖面。
布什维说，电磁飞机弹射器除具有较大控制灵活性之外，其重量和大小只
相当于蒸汽弹射器的一半。消除了高压、高温蒸汽管路和阀的迷宫将减少值勤
作业和战斗危险。由于使用电力电子分系统，电磁飞机弹射系统的维修人员将
少30%。未来电磁飞机弹射系统是模块化的，因此便于维修和改进时不同组件
和分系统的交换。
2.新的推进装置目前，"尼米兹"级航空母舰的核反应堆非常庞大，系统过
于复杂，而且难以为新增的技术装备提供充足的电力。
CVN-21级航母上的新型反应堆产生的辅助电力大约是"尼米兹"级的三倍。
这些充足的动力将满足CVN-21级航母的动力需求，并且支持将一些蒸汽动力的辅助设备转变为电力动力。新的反应堆系统组件更少但更可靠，所需要的空间
更小。
3.带状电力分配系统
CVN-21级航空母舰的动力分配将依靠一个新的系统--带状电力分配系统。
这种系统不但将电缆减少了六英里，而且还提供了更紧凑的结构体系，把
各种装卸中心集中到一个舰上隔离区域，从而更有效地对全舰进行电力配送。
"尼米兹"级航母作为一个远程打击平台，一直被认为是美国海军的"无价之宝"。到今天为止，该级航母设计定型已经超过35年了。首舰"尼米兹"号于
1975年服役。此后，虽然陆续进行了一些改进，但在舰体、推进装置和电力系
统等方面，都没有改变过。
"尼米兹"当前面临的主要问题，是电力产生能力非常有限，船体的腐蚀老
化程度也在上升，技术装备增多使得航母自重加大，这些都极大地影响了航母
的稳定性。这些不足使得一些新技术装备在融合到舰体的过程中受到限制。
根据对各方资料的综合评估，CVN-21级航母的首舰"CVN-78"将于2008年
开工，其建造费用预计将超过八十亿美元，远远超过美国海军最新服役的"里根"号航母约45亿美元的建造费用。兰德公司的专家认为，CVN-78航母将最早于2014年9月进入美国海军服役，以取代美国第一艘核动力航母"企业"号。诺斯
罗普"格鲁曼公司的CVN21计划副总Mike Shawcross在采访中说，他们为美国
海军设计下一代航母CVN21所拥有的一个重大变革是从岸上看不到的，那就是，它是第一艘完全在虚拟环境中设计的航母。虚拟模型使人们能够思考如何最好
地装配这艘航母，特别是系统区域，例如，在哪里放置管道，如何在上层甲板
安装之前建造下层甲板等等。
美国《每日防务》2006年3月20日报道，Shawcross将产品模型和计算机辅助虚拟环境(CAVE)比喻成全息摄影机，可以在房间里利用CAVE，将图像投影
在所有的墙面、地板和天花板上，创造一个虚拟环境。在纽波特纽斯船厂，设
计者利用一种系统将三维图像投影在屏幕上，Shawcross说，图像非常逼真，
人可以穿过某处，伸手"摸"到阀门。这种设计方法还有助于建造者理解人类工
程学。
Shawcross认为，计算机辅助设计工具证明能够节省费用，例如，法国达
索公司和IBM公司共同提供的CATIA帮助设计者事先发现了设计中的所有问题
和错误，这当然会节省费用。他说："这在好多方面都很有用，零部件的加工精度将更高，我们已经在'海狼'和'弗吉尼亚'级潜艇上看到了这样的效果，它还
能使我们更好的进行规划，能够提供加工数据，例如下达给弯管机的弯曲指令
或者下达给钢板切割机的指令。"他说美国海军下一代航母CVN21拥有新的特点，设计上进行了变化，将用更少的人员编制更加高效地运行。当CVN21于2015年后期服役时，它将配备电磁飞机弹射系统、全新配置且向航母尾部挪动了的"岛"式上层建筑、三部飞机升降机、改进的武器处理系统，航母上的床位将少于4600张。
[美国《每日防务》2006年3月23日报道]由于采用电力并精简人员配置，美国海军下一代航母CVN-21将引导未来航母在运行和生活环境上发生变化。
CVN-21并不是一个全电力航母，其动力系统仍然是蒸汽推进。最初曾考虑
让CVN-21采用全电力推进，但最后证明全电力推进并不适合CVN-21。CVN-21
计划的副主任说："我们在'尼米兹'级航母上使用4161伏的(配电)系统，CVN-
21将使用13800伏的配电系统，电压的升高是因为CVN-21将拥有2.5倍于'尼
米兹'级的发电能力。为了更有效地传输电力，我们想采用更高的电压。"
CVN-21也称CVN-78，它的任务与其它型号的航母一样，那就是供飞机起飞和降落。CVN-21将是第一艘配备电磁弹射系统(EMLS)的航母。四个电磁弹射系
统均靠电力驱动，其所需的电力来源于动力反应堆产生的热能。它们能在300
英尺的距离内把飞机的速度提高到160节，而需要的维护更少，弹射时作用于
飞机的冲击应力小，并更适合弹射无人机。电磁弹射的技术是今后美国海军航
母飞机起降的发展方向，这种技术仍在发展中。除了电诺浼际跬猓珻 VN-21还
将采用先进阻拦装置。
美国海军航空系统司令部正考虑为CVN-21配备新的舰载机。除了波音公司生产的F/A-18E/F和EA-18G，CVN-21还将搭载洛克希德.马丁公司(LMT)生产的
F-35联合攻击机(JSF)。CVN-21还能够起降贝尔特克斯特朗直升机公司(TXT)的
V-22"鱼鹰"倾转旋翼飞机。
CVN-21将装备"尼米兹"级所装备的很多自卫武器，目前美国航母上的所有3种防空系统都将装备到CVN-21上，近程武器系统的使命有所变化，主要用于防御给航母造成威胁的小艇，其它的自卫系统还包括用于防御反舰导弹的滚体导弹以及"改进型海麻雀"导弹。CVN-21还装备了在"尼米兹"级配备的.50英寸口径机枪。
另外，CVN-21是第一艘能够通过高线一次补给12000磅弹药的航母，CVN-21的这一特点将大大减少补给所需要的时间。
发生在CVN-21的另外一个变化是重新设计了舰员铺位，CVN-21上的住舱较小，但是每个住舱都有卫生间。典型的CVN-21舰员舱住69人，而"尼米兹"级的舰员住舱住207人，因此，CVN-21上的住舱空间更小，也更私人化。
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课程设计任务书 学生姓名： 李攀 专业班级： 自动化0804 指导教师： 谭思云 工作单位： 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件： 飞行器控制系统的开环传递函数为： ) 2.361(4000)(+= s s K s G 控制系统性能指标为调节时间s 008.0≤，单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于85度。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） （1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统的动态性能指标； （4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： （1） 课程设计任务书的布置，讲解 （一天） （2） 根据任务书的要求进行设计构思。（一天） （3） 熟悉MATLAB 中的相关工具（一天） （4） 系统设计与仿真分析。（四天） （5） 撰写说明书。 （两天） （6） 课程设计答辩（一天） 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
摘要 根据被控对象及给定的技术指标要求，设计自动控制系统，既要保证所设计的系统有良好的性能，满足给定技术指标的要求，还有考虑方案的可靠性和经济性。本说明书介绍了在给定的技术指标下，对飞行器控制系统的设计。为了达到给定要求，主要采用了串联之后—超前校正。 在对系统进行校正的时候，采用了基于波特图的串联之后—超前校正，对系统校正前后的性能作了分析和比较，并用MATLAB进行了绘图和仿真。对已校正系统的高频特性有要求时，采用频域法校正较其他方法更为方便。 关键词：飞行器控制系统校正 MATLAB
自动飞行控制系统 飞行控制系统(简称飞控系统)的作用是保证飞机的稳定性和操纵性，提高飞机飞行性能和完成任务的能力，增强飞行的安全性和减轻驾驶员的工作负担。 深圳市瑞伯达科技有限公司，致力于成为全球无人机飞行器领导品牌，是智能化无人机飞行器及控制系统的研制开发的专业厂商，生产并提供各行业无人机应用的解决方案。产品线涵盖各种尺寸多旋翼飞行器、专业航拍飞行器、无人机飞行控制系统、无人机地面站控制系统、高清远距离数字图像传输系统、专业级无线遥控器、高精飞行器控制模块及各类飞行器配件 飞行器的自动飞行一、问题的提出早在重于空气的飞行器问世时，就有了实现自动控制飞行的设想。1891年海诺姆．马克西姆设计和建造的飞行器上安装了用于改善飞行器纵向稳定性的飞行系统。该系统中用陀螺提供反馈信号，用伺服作动器偏转升降舵。这个设想在基本概念和手段上与现代飞行自动控制系统有惊人的相似，但由于飞机在试飞中失事而未能成为现实。 60年代飞机设计的新思想产生了，即在设计飞机的开始就考虑自动控制系统的作用。基于这种设计思想的飞机称为随控布局飞行器（Control Configured Vehicle 简称CCV）。这种飞机有更多的控制面，这些控制面协同偏转可完成一般飞机难以实现的飞行任务，达到较高的飞行性能。 飞控系统分类飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。由驾驶员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的飞控系统，称为自动飞行控制系统。自动驾驶仪是最基本的自动飞行控制系统。飞控系统构成飞控系统由控制与显示装置、传感器、飞控计算机、作动器、自测试装置、信息传输链及接口装置组成。控制及显示装置是驾驶员输入飞行控制指令和获取飞控系统状态信息的设备，包括驾驶杆、脚蹬、油门杆、控制面板、专用指示灯盘和电子显示器(多功能显示器、平视显示器等)。传感器为飞控系统提供飞机运动参数(航向角、姿态角、角速度、位置、速度、加速度等)、大气数据以及相关机载分系统(如起落架、机轮、液压源、电源、燃油系统等)状态的信息，用于控制、导引和模态转换。飞控计算机是飞控系统的“大脑”，用来完成控制逻辑判断、控制和导引计算、系统管理并输出控制指令和系统状态显示信息。作动器是飞控系统的执行机构，用来按飞控计算机指令驱动飞机的各种舵面、油门杆、喷管、机轮等，以产生控制飞机运动的力和力矩。自测试装置用于飞行前、飞行中、飞行后和地面维护时对系统进行自动监测，以确定系统工作是否正常并判断出现故障的位置。信息传输链用于系统各部件之间传输信息。常用的传输链有电缆、光缆和数据总线。接口装置用于飞控系统和其他机载系统之间的连接，不同的连接情况可以有多种不同的接口形式。 自动飞行控制系统由自动驾驶仪、自动油门杆系统、自动导航系统、自动进场系统和自动着陆系统、自动地形跟随/回避系统构成。 RIBOLD瑞伯达科技有限公司,致力于成为全球飞行影像系统独家先驱，其产品线涵盖无人机飞行控制系统及地面站控制系统、影视航拍飞行平台、商用云台系统、高清远距离数字图像传输系统、无线遥控和成像终端及模型飞行器产品,多旋翼飞行器和高精控制模块。 RBD瑞伯达坚持创新, 以技术和产品为核心，通过完美的产品带来前所未有的飞行体验。我们的目标是做世界一流的无人机企业，为我们的客户提供一流的产品和服务!
航母的基本常识介绍 ☆舰岛 早期航母，象英国“百眼巨人”号和美国的“兰利”号等整个舰面是平坦的飞行甲板，没有突出部分。而现代航母基本上是把舰桥、烟囱等集中在飞行甲板的一侧，好象一个小岛，它就是“舰岛”。 从飞机起降的要求上讲，航母的飞行甲板上空空无物是最理想的。但是，航母的指挥塔、飞行控制室、航海室、雷达和通信天线等又是需要高耸在甲板上的。所以，现代航母都是把这些上层建筑设计得很紧凑，集中在飞行甲板右舷的“舰岛”上，空出甲板的绝大部分来方便飞机起降。 ☆飞行甲板 飞行甲板就是航母舰面上供舰载机起降和停放的上层甲板，又称为舰面场。早期飞机由于起降速度不大，可以从军舰首部或主炮塔上部铺设的小型甲板上起飞，从舰尾的短小甲板上着舰。但现代航母都是贯通全舰的大面积的上层甲板。需要指出的是，航母的飞行甲板要比舰体宽得多。从正面看，飞行甲板从舰体上面向两舷张出，形状很
怪异。 飞行甲板要承受飞机着舰时的强烈冲击载荷，所以要用高强度钢板制成。二战时航母飞行甲板表面要铺设一层木质甲板，而现代航母的飞行甲板表面都是金属的了。 ☆直式和斜角式飞行甲板 从航母出现直到50年代初，航母的飞行甲板都是直式的。其形状为矩形，防冲网把甲板分成前后两部分；前部供飞机起飞、停放用，后部则是飞机降落区。当防冲网放下时，前后两区合二为一，舰载机就能从舰尾向前做不用弹射器的自由测距滑跑起飞了。 随着喷气式飞机的上舰，直式甲板的局限性就显露出来了。50年代初，英国海军上校卡梅尔提出了斜角甲板设想，经试验后证明它有许多优点，遂成为现代航母的标准甲板样式。 斜角甲板分为两部分。舰前部直甲板为起飞区，后半部斜角甲板为着舰区，斜直相交处形成三角形停机区。斜式甲板的斜度以斜角甲板中线与航母首尾中线夹角来表示。斜角甲板的优点是着舰飞机未能钩住拦阻索时，可马上拉起复飞而不致于与前甲板停放的飞机相撞。另外，舰载机起飞和降落可同时进行。 ☆弹射器的工作 早期的螺旋桨式飞机由于起飞速度不大，可以轻易从甲板上自行滑跑起飞，但喷气式舰载机的重量和起飞速度急剧增大，只能通过弹射器起飞了。 1950年8月，英国在“英仙座”航母甲板中线上安装了一台动
弹射模型飞机的调整试飞 一、弹射飞行原理 弹射模型飞机是利用橡筋的弹性能量作为初始动力来放飞模型的。当模型获得橡筋的弹性能量后就会被弹射出去，模型爬升到最高点后在重力作用下转为下滑，模型在下滑时由于机翼翼型的作用，可以产生一定的升力，因此，会慢慢地滑翔飞行，在滑翔过程中若遇到上升气流，则可获得较长的留空时间。 二、航空模型技术常用术语 1.翼展——机翼（尾翼）左右翼尖间的直线距离。（穿过机身部分也计算在内） 2.机身全长——模型飞机最前端到最末端的直线距离 3.重心——模型飞机各部分重力的合力作用点称为重心 4.尾力臂——机翼后缘到水平尾翼前缘的距离 5.翼型——机翼或尾翼的横剖面形状 6.前缘——翼型的最前端 7.后缘——翼型的最后端 8.翼弦——前后缘之间的连线 9.展弦比——翼展与平均翼弦长度的比值。展弦比大说明机翼狭长 三、模型飞机受力分析 1.升力——由机翼产生的向上作用力 机翼的升力是机翼上下空气压力差形成的。当模型在空中飞行时，机翼上表面的空气流速加快，压强减小；机翼下表面的空气流速减慢压强加
大。这是造成机翼上下压力差的原因。 造成机翼上下流速变化的原因有两个： (1)不对称的翼型； (2)机翼和相对气流有迎角。翼型是机翼剖面的形状。机翼剖面多为不对称形，如下弧平直上弧向上弯曲(平凸型)和上下弧都向上弯曲(凹凸型)。对称翼型则必须有一定的迎角才产生升力。 2.重力G——与升力相反的向下作用力 3.拉力P——由发动机产生的向前作用力 4.阻力Q——由空气阻力产生的向后作用力 四、试飞前的检查 组装完成后，检查重心的位置,两边上反角是否对称，机翼、水平尾翼是否扭曲。垂直尾翼是否垂直，水平尾翼是否扭曲变形，机翼的安装角是否正确 五、测定重心位置 用两手指顶在两片机翼之间，找出能使飞机平衡的某点，再对照力学中重心位置。（机翼后缘向前，在机翼的40%处左右）如发现飞机的重心不在规定的位置上，应该进行重心调整。如果整机前（后）倾，应在机身尾部（头部）粘上电工胶布（配重）。如果整机左（右）倾，应将左（右）翼磨削。 六、试飞、分两个步骤 1 手掷试飞：也就是手投模型飞机，方法是用两手指抓住机身上重心稍靠后的位置，机头稍低于水平线，逆风，沿机身方向，将模型轻轻掷出（注意手掷模型时手臂不能划弧线，而是沿机身方向的直线方向，轻轻掷出）
Design and Simulation of an Electromagnetic Aircraft Launch System D Patterson, A Monti, C Brice, R Dougal, R Pettus, D Srinivas, K Dilipchandra (Department of Electrical Engineering University of South Carolina, Swearingen Center Columbia, SC 29208 USA ) E-mail 一patters on @ieee? org Abstract—This paper describes the basic design, refinement and verification using finite element analysis (FEA), and operational Simulation using the Virtual Test Bed (VTB), of a range of can didate lin ear machines for an electromagnetic aircraft launching system (EMALS) for the aircraft carrier of the future ? Choices of basic machine format, and procedures for determining basic dimensions are presented. A detailed design is presented for a permanent magnet version, and wou nd field coil and induetion machine versions are introduced ? The long armature 一short field geometry is discussed, and in particular the impact of this geometry on the scale of the power electronic drive system is preserHed. I.INTRODUCTION A.The Project Moder n ship desig ns are in creasi ngly moving towards the use of elec trici ty to distribute, control, and deliver energy for the multiplicity of on board needs ? This trend has already resulted in large direct drive electric machines for tracti on in commercial shipping ? In some signifies nt cases, includi ng traction, adoption in military applications is rather slower, because of the comparatively low achievable power, energy and torque, per unit volume and per unit mass，of electroechanical energy convers ion systems ? However the ben efits of controllability, robust ness, reliability, damage management, operational availabilit* reduced manning etc. are undeniable ? Whilst all actuation systems are under continuous investigation, there is a high level of interest in determining the feasibility of an electromagnetic aircraft launch system (EMALS) for aircraft carriers ? Studies are being carried out at the University of South Carolina (USC) to evaluate alternative design concepts and to determine their feasibility and comparative strengths. Simulation uses the Virtual Test Bed (VTB), a new environment for Simulation and virtual prototyping of power electronic systems that includes not only Simulation of system dynamics, but also solid modeling of the system and visualization of the system dynamics [1]. EMALS also represents a challenging test case for VTB itself ? Models of the different parts of the systems will be built up from the specifications and the characteristics given by U?S. Navy, and from engineering design principles ? B.The Challenge
无人飞行器系统综述 学生姓名：张书铭 院系：航空科学与工程学院 班级：150519班 学号：15051251 2015年12月
一、引言 无人飞行器系统是以无人机为主体，由多个分系统组成的复杂系统，集成了航空技术、信息技术、控制技术、测控技术、传感技术以及新材料、新能源等多学科技术，已成为航空航天的一个新的发展方向。无人机的发展历史可以追溯到上一世纪20 年代，应技术进步和战争需求，无人机已逐渐发展为世界各国尤其是发达国家武器装备中重要组成部分之一，无人化也已日益成为未来战争发展的方向之一，同时无人机也正在向民用化发展。进入20 世纪末，无人机发展进入了一个新时代并先后形成三次发展浪潮。目前，世界各主要国家尽管发展方向和发展程度各异，但无不积极研制开发无人机，在进一步发展军事用途的同时又扩展到民用领域，一个无人机发展高潮正在到来。 二、无人飞行器系统简述 无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UA V”，是利用无线电遥控设备和自备的程控装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。而无人机系统，英文缩写为“UAS”，是以无人机为主体，配有相关的分系统，能完成特定任务的一组设备。无人飞行器系统一般由无人机平台、测控与信息传输分系统、飞行控制与导航系统、任务载荷、发射与回收系统和地面运输与保障系统组成。 无人机系统按重量、航程和飞行高度可分为：微型无人机（重量一般不超过1kg）、小型无人机（重量一般不超过20kg，航程不超过30km）、近程无人机（航程能达到100km）、中程无人机（航程能达到500km）、中空长航时无人机（航程超过500km，续航时间20 小时以上，飞行高度5000到10000m）和高空长航时无人机（航程达到10000km，续航时间20 小时以上，飞行高度达到15000m）。 相比有人驾驶飞行器，无人机有着用途广泛，成本低，效费比好，无人员伤亡风险，生存能力强，机动性能好，使用方便等优势，适用于执行“枯燥的、脏的、危险的”所谓“3D”任务，能在核污染、化学污染地区和战争前沿侦察，能在极端恶劣天气下飞行，在现代战争中有着极其重要的作用。无人机执行的任务分为攻击杀伤型和非攻击杀伤型。美国海军给无人机划分了以下任务分区：
第一章飞行控制系统概述 1.1飞行器自动控制 1.1.1飞行控制系统的功能 随着飞行任务的不断复杂化，对飞机性能的要求越来越高，不仅要求飞行距离远（例如运输机），高度高（高空侦察机），而且还要求飞机有良好的机动性（例如战斗机）。为了减轻驾驶员在长途飞行中的疲劳，或使驾驶员集中精力战斗，希望用自动控制系统代替驾驶员控制飞行，并能改善飞机的飞行性能。这种系统就是现代飞机上安装的飞行自动控制系统。 飞行控制系统的功能归结起来有两点：1）实现飞机的自动飞行；2）改善飞机的飞行性能。 飞机的自动飞行控制系统在无人参与的情况下，自动操纵飞机按规定的姿态和航迹飞行，通常可实现对飞机的三轴姿态角和飞机三个方向的空间位置的自动控制与稳定。例如，无人驾驶飞行器（如无人机或导弹等），实现完全的飞行自动控制；对于有人驾驶的飞机（如民用客机或军用飞机），虽然有人参与驾驶，但某些飞行阶段（如巡航段），驾驶员可以不直接参与操纵，而由飞行控制系统实现对飞机飞行的自动控制，但驾驶员应完成对自动飞行指令的设置和监督自动飞行的情况，并可以随时切断自动控制而实现人工驾驶。采用自动飞行具有以下优点： 1）长距离飞行时解除驾驶员的疲劳，减轻驾驶员的工作负担； 2）在一些恶劣天气或复杂的环境下，驾驶员难于精确控制飞机的姿态和航迹，自动飞行控制系统可以精确对飞机姿态和航迹的精确控制； 3）有一些飞行操纵任务，驾驶员难于精确完成，如进场着陆，采用自动飞行控制则可以较好地完成任务。 一般来说，飞机的性能和飞行品质是由飞机本身气动特性和发动机特性决定的，但随着飞机飞行高度及飞行速度的增加，飞机的自身特性将会变坏。如飞机在高空飞行时，由于空气稀薄，飞机的阻尼特性变坏，致使飞机角运动产生严重的摆动，靠驾驶员人工操纵将会很困难。此外，设计飞机时，为了减小质量和阻力，提高有用升力，将飞机设计成静不稳定的。对于这种静不稳定的飞机，驾驶员是难于操纵的。在飞机上采用增稳系统或阻尼系统可以很好地解决这些问题。
航空母舰的主要装置
起飞装置
蒸汽弹射起飞使用一个平的甲板作为飞机跑道。起飞时一个蒸汽驱动的弹射装置带动飞机在两秒钟内达到起飞速度。目前只有美国具备生产这种蒸气弹射器的成熟技术。在工作原理上，蒸汽弹射器是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块，把与之相连的舰载机弹射出去的。它体积庞大，工作时要消耗大量蒸汽，功率浪费严重，只有约6%的蒸汽被利用。为制造和输送蒸汽，航母要备有海水淡化装置、大型锅炉和无数管线，工作维护量惊人。它的最大缺陷在于因为弹射功率太大而无法发射无人机，现役的无人机因为重量轻，在弹射时机体会被加速度扯碎。
?? 蒸汽弹射起飞
蒸汽弹射有两种弹射方式：
一种是前轮牵引式弹射，美国海军1964年试验成功。舰载机的前轮支架装上拖曳杆，前轮就直接挂在了滑块上，弹射时由滑块直接拉着飞机前轮加速起飞。这样就不用8－10甲板人员挂拖索和捡拖索了。弹射时间缩短，飞机的方向安全性好，但这种舰载机的前轮要专门设计。美国海军核动力航母都采用了这种起飞方式。&nb sp;
另一种是拖索式弹射，顾名思义，就是用钢质拖索牵引飞机加速起飞，这种弹射方式比较老，各方面都不如前者好，目前只有法国的“克莱蒙梭”级航母使用。拖索式弹射时，甲板人员先用钢质拖索把飞机挂在滑块上，再用一根索引释放杆把其尾部与弹射器后端固定住。弹射时，猛力前冲的滑块拉断索引释放杆上的定力拉断栓，牵着飞机沿轨道迅速加速，在轨道末端把飞机加速到直起飞速度抛离甲板，拖索从飞机上脱落，滑块返回弹射器起点准备下一次工作。& nbsp;
斜板滑跳起飞
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斜板滑跳起飞
有些航空母舰在其甲板前端有一个“跳台”帮助飞机起飞，即把甲板的前头部分做成斜坡上翘，舰载机以一定的尚未达到其飞速度的速度滑跑后沿着上翘的斜坡冲出甲板，形成斜抛运动，在刚脱离母舰的一段（几十米）距离内继续在空中加速以达到起飞速度。这种起飞方式不需要复杂的弹射装置，但是飞机起飞时的重量不如蒸汽弹射起飞，使得舰载机的载油量、载弹量、航程以及作战半径等受到一定的制约。英国、意大利、印度和俄罗斯等国由于技术限制，无法研制真正在技术和工艺上过关的蒸汽弹射器，所以只能在本国航母上采用滑翘甲板。采用滑跃起飞舰载机的航空母舰在载机起飞时都必须以20节（36公里/小时）以上的速度逆风航行，以加大载机相对速度来帮助舰载机起飞。
垂直起飞
垂直起飞技术顾名思义就是飞机不需要滑跑就可以起飞和着陆的技术。它是从20世纪50年代末期开始发展的一项航空技术。英国、美国、俄罗斯的一些航空母舰采用这种技术。
使用垂直起降技术的飞机机动灵活，具有常规飞机无可比拟的优点：
首先，具有垂直起降能力的飞机不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本。其次，垂直起降飞机只需要很小的平地就可以起飞和着陆，所以在战争中飞机可以分散配置，便于伪装，不易被敌方发现，大大提高了飞机的战场生存率。最后，由于垂直起降飞机即使在被毁坏的机场跑道上或者是前线的简易机场上也可以升空作战，所以出勤率也大幅提高，并且对敌方的打击具有很高的突然性。
但使用垂直起降技术的飞机同时也有许多重大的缺点：
首先是航程短，由于要实现垂直起降，飞机的起飞重量只能是发动机推力的83%-85%，这就使飞机的有效载荷大大受到限制，影响了飞机的载油量和航程。同时，飞机垂直起飞时发动机工作在最大状态，耗油量极大，也限制了飞机的作战半径。例如“鹞”式飞机的载重量为1060千克时，作战半径只有92公里。所以在实际使用中，“鹞”式飞机尽量使用短距起飞的方式，以延长飞机的航程。因此，垂直起落
即将登场的航母电磁飞机弹射系统 这是名为《即将登场的航母电磁飞机弹射系统》一文摘录，配图也是里面的，来源网上。有兴趣的自己去搜全文，极好的科普文章 从线圈电磁炮的发展历史来看，其实阻碍电磁弹射器的现实化并不是线性电机本身，而是强大而稳定的瞬发能源。美国航母上采用90年代nasa为电磁炮，激光类武器发展的惯性储能装置发展而来的盘式交流发电机。新设计的盘式交流发电机重约8.7吨，如果不算附加安全壳体设备重量只有6.9吨。盘式交流发电机的转子采用绕水平轴向的旋转，转子重约5177公斤，使用镍铬铁的铸件经热处理而成，上面用镍铬钛合金箍固定2对扇形轴心磁场的钕铁硼永磁体，镍铬钛合金箍具有很大的弹性预应力，确保稳定固定高速旋转中的磁体。转子旋转速度为6400转/分，一个转子可存储121兆焦的能量，储能密度比蒸汽弹射器得储气罐高一倍多，一台弹射器由4台盘式交流发电机供电，安装时一般采用成对布置，转子反向旋转，减小因高速旋转飞轮带来的陀螺效应和单向扭矩。弹射一次仅使用每一台发电机所储备的能量的22.5%，让飞轮转盘的转动速度从6400转/分下降到5200转/分，能量消耗可以在弹射循环的45s间歇中从主动力输出中获得补充。4蓄能发电机结构可以允许弹射器在其中一台发电机没有工作的情况下正常使用，由于航母装备4台弹射器，每两台弹射器的动力组会安装到一起，集中管理并允许其动力交联，出现6台以上发电机故障而影响弹射几率每300年才会重复一次。盘式交流发电机采用双定子设计，分别处于盘的两侧，每一个定子由280个线圈绕组的放射性槽构成，槽间是支撑结构和液体冷却板，由于采用双定子结构，每台发电机输出电源是6相的，最大输出电压1700伏，峰值电流高达6400安培，输出的匹配载荷为8.16万千瓦，输出为2133-1735赫兹的变频交流电。盘式储能交流发电机的设计效率为89.3%，这已经通过缩比模型验证，也就是说每一次弹射将会有127千瓦的能量以热量形式消耗掉了，发电机的定子线圈的电阻仅有8.6毫欧，这么大的功率会迅速将定子线圈加温数百度，所以设计了定子强制冷却。冷却板布置在定子的外侧，铸铝板上安转不锈钢管，内充WEG 混合液，采用流量为151升/分的泵强制散热，根据1/2模型试验测试所知，可以保证45s循环内铜芯温度稳定在84摄氏度，冷却板表面温度61度。 真正最为关键，技术难度最大的部件是高功率的循环变频器，这个技术是电磁弹射器的真正技术瓶颈，EMALS现在正处于关键性部件工程验证阶段，循环变频器仅仅是完成了计算机模拟，还没有开始发展工程样品，从设计而言，循环变频器是一个多路的桥式电路通过串联或者并联多路桥式电路来获得叠加和控制功率输出，他不使用开关和串联电容器，省略了电流分享电抗器，实现了完全数字化管理的无电弧的电能源变频管理输出。她每一相的输出能力为0到1520伏，峰值电流6400安培，可变化频率为0-644赫兹。循环变频器设计非常复杂，它不仅需要将4台交流发电机的24相输入电能准确的将正确的相位输入到正确的模块端口，还必须准确的管理298个直线电机的电磁模块，在滑动组运行到来前0.35秒内让电磁体充电，而在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长，每次弹射仅需工作10-15秒，但热耗
学号： 课程设计 题目飞行器控制系统设计 学院自动化学院 专业自动化 班级自动化1002班 姓名 指导教师肖纯 2012 年12 月19 日
课程设计任务书 学生姓名： 专业班级：自动化1003班 指导教师： 肖 纯 工作单位： 自动化学院 题 目: 飞行器控制系统设计 初始条件：飞行器控制系统的开环传递函数为： ) 2.361(4500)(+= s s K s G 要求设计控制系统性能指标为调节时间ts 008.0≤秒，单位斜坡输入的稳态误差000443.0≤，相角裕度大于75度。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） （1） 设计一个控制器，使系统满足上述性能指标； （2） 画出系统在校正前后的奈奎斯特曲线和波特图； （3） 用Matlab 画出上述每种情况的阶跃响应曲线，并根据曲线分析系统 的动态性能指标； （4） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析 计算的过程，给出响应曲线，并包含Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。 时间安排： 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
随着经济的发展，自动控制技术在国民经济中发挥着越来越重要的作用。自动控制就是在没有人的参与下，系统的控制器自动的按照人预订的要求控制设备或过程，使之具有一定的状态和性能。在实际中常常要求在达到制定性能指标的同时能更加节约成本、能具有更加优良的效果。本次飞行器设计中，采用频域校正的方法使系统达到指定的性能指标，同时采用matlab仿真软件更加直观的进行仿真分析和验证。 在此设计中主要采用超前校正的方法来对系统进行性能的改进，通过分析、设计、仿真、写实验报告书的过程，进一步加深了对自动控制原理基本知识的理解和认识，同时通过仿真系统的奈奎斯特图、bode图、单位阶跃响应曲线，进一步理解了系统的性能指标的含义，同时也加深了对matlab仿真的掌握，培养了认识问题、分析问题、解决问题的能力。
Whyflight vehicles fly in the air Today we can see many flight vehicles fly in the air,airplanes,missiles,balloons,airships and so on.They have different uses .For example,airplanes are used to load people while missiles are used to attack the target. But,here we have a question:why can they fly in the air? First,a flight vehicle has its own flight principles.The flight vehicle need forces to make it fly. The most important of all is aerodynamics.Aerodynamics are produced by the nearby air of a flying vehicle. Aerodynamics can be divided into three forces in three directions. They are lift to overcome the gravity, drag to block the flight vehicle and lateral force to make the flight vehicle slope.And of course, the flight vehicle has thrust itself, and this is the main force to make it forward. All these forces acted on the fight vehicle keep it balance in the air, so the flight vehicle can move smoothly. Another important action to the flight is moment. There are aerodynamic moments and thrust moment. Aerodynamic moments are also divided into three components named rolling moment, yawing moment, and pitching moment. Rolling moment makes the flight vehicle roll around its longitudinal axis. Yawing moment lets the flight vehicle roll around its vertical axis. Pitching moment makes the flight vehicle roll around its lateral axis. Thrust moments are produced by thrust when it does not pass through the mass center. All
第二章飞行力学基础 2.1 飞行器空间运动的表示、飞行器操纵机构、稳定性和操纵性的概念2.1.1常用坐标系 1)地面坐标系(地轴系)(Earth-surface reference frame）Sg-o g x g y g z g 原点o g 取自地面上某一点（例如飞机起飞点）。o g x g 轴处于地平面内并指向 某方向（如指向飞行航线）；o g y g 轴也在地平面内并指向右方；o g z g 轴垂直地面 指向地心。坐标按右手定则规定，拇指代表o g x g 轴，食指代表o g y g 轴，中指代表 o g z g 轴，如图2-1所示。 2）机体坐标系（体轴系）(Aircraft-body coordinate frame)Sb-oxyz 原点o取在飞机质心处，坐标与飞机固连。Ox与飞机机身的设计轴线平行，且处于飞机对称平面内；oy轴垂直于飞机对称平面指向右方；oz轴在飞机对称平面内；且垂直于ox轴指向下方（参看图2.1-1）。发动机推力一般按机体坐标系给出。 3）速度坐标系(Wind coordinate frame)Sa-ox a y a z a 速度坐标系也称气流坐标系。原点取在飞机质心处，ox a 轴与飞行速度V的 方向一致。一般情况下，V不一定在飞机对称平面内。oz a 轴在飞机对称面内垂 x 图2.1-1 机体坐标系与地面坐标系
直于ox a 轴指向机腹。oy a 轴垂直于x a oz a 轴平面指向右方,如图2.1-2所示。作用在飞机上的气动力一般按速度坐标系给出。 4）航迹坐标系(Path coordinate frame)Sk-ox k y k z k 原点取在飞机质心处，ox k 轴与飞机速度V 的方向一致。oz k 轴在包含ox k 轴的铅垂面内，向下为正；oy k 轴垂直于x k oz k 轴平面指向右方。研究飞行器的飞行轨迹时，采用航迹坐标系可使运动方程形式较简单。 2.1.2 飞机的运动参数 1）飞机的姿态角 1.俯仰角θ(Pitch angle) 机体轴ox 与地平面间的夹角。以抬头为正。 2.偏航角ψ(Yaw angle) 机体轴ox 在地平面上的投影与地轴o g x g 间的夹角。以机头右偏航为正。 3.滚转角φ(Roll angle) 又称倾斜角，指机体轴oz 与通过ox 轴的铅垂面间的夹角。飞机向右倾斜时 图2.1-2 速度坐标系与地面坐标系
第30卷 第10期航 空 学 报 Vol 130No 110 2009年 10月ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUT ICA SINICA Oct. 2009 收稿日期:2008208212;修订日期:2008212205 基金项目:国家自然科学基金(90605007);南京航空航天大学博 士生创新基金((B CXJ06208) 通讯作者:何真E 2mail:hezhen@https://www.doczj.com/doc/c918424761.html, 文章编号:100026893(2009)1021906 206变体飞行器控制系统综述 陆宇平,何真 (南京航空航天大学自动化学院,江苏南京 210016) A Survey of Morphing Aircraft Control Systems Lu Yuping,H e Zhen (College of Automation Engineering,Nanjing Universit y of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) 摘 要:介绍了变体飞行器控制系统和涉及的控制理论问题。分析了变体飞行器的控制系统,指出变体飞行器的控制系统由变形控制层和飞行控制层组成。对变体飞行器的硬件结构和变体飞行器控制方法的研究现状进行了阐述。分析了集中式和分布式两种变形机械结构以及控制系统体系结构,提出采用总线网络连接变形结构的分布式元件。总结了变体飞行器需深入研究的变形控制和飞行控制问题,包括大尺度变体飞行器的飞行控制问题,通信受约束的大数目的驱动器的协调控制问题。关键词:变体飞行器;变形控制;飞行控制系统;分布式控制;网络控制中图分类号:V249 文献标识码:A Abstr act:The control system and r elated cont rol theor y of morphing aircraft a re introduced.The cont rol sys 2tem of mor phing air cr aft is analyzed.I t is shown that the system consists of a shape cont rol loop and a f light cont rol loop.Advances in the mechanical structures and contr ol appr oaches of mor phing aircraft ar e discussed.The centra lized mechanica l morphing structur e,the distributed mechanical morphing st ructur e,and the contr ol system structure are analyzed.It is pr oposed that the distr ibuted components in a morphing st ructur e should be connected through a bus net work.F utur e work in the shape contr ol and flight control of morphing aircraft is summar ized,including the flight contr ol of large 2scale shape air craft,cooperat ive contr ol of large numbers of actuators under communication constraints. Key words:morphing aircraft;sha pe control;flight control systems;distr ibuted control;networked contr ol 变体飞行器能根据飞行环境和飞行任务的变化,相应地改变外形,始终保持最优飞行状态,以满足在变化很大的飞行环境(高度、马赫数等)里执行多种任务(如起降、巡航、机动、盘旋、攻击等) 的要求。变体飞行器还能够改善飞行器空气动力学性能,增加续航时间,用能连续、光滑变形的变形结构代替传统操纵面,提高隐身性能。由于具有这些优势,变体飞行器得到了各国的重视。目前,已开展过的或正在开展的变体飞行器项目有 [125] :美国的AFTI/F111自适应机翼项目,主动 柔性翼(AFW)计划,智能机翼(Smart Wing)项目 和近期启动的变形飞机结构(MAS)项目;欧洲的3AS(Active Aeroelastic A ir craft Structures)研究项目等。 与传统飞行器相比,变体飞行器最特殊之处在于它具有变形结构。这给气动、材料、结构、控 制和优化等多个学科提出了一系列有待研究的问题。在控制学科方面,变形结构的分布式驱动特性以及变形引起的飞行器模型的不确定性和非线性等都引出了许多具有挑战性的研究课题。本文总结与思考了变体飞行器的控制体系结构设计和控制理论研究,提出了需深入研究的变形控制和飞行控制方面的问题。 1 工作原理 变体飞行器的控制系统可分为两个层次,如图1所示。第1层可称为变形控制系统,对变形结构进行控制,即实现变形控制;第2层可称为飞行控制系统,控制整个飞行器的飞行状态,即实现飞行控制。 变体飞行器的变形结构是使变体飞行器实现/变体0的部件。为了获得高气动效率,变体飞行器的变形应该是连续的、光滑的,因此,大部分变形结构由大数量的分布式驱动单元组成。变形结构可以是分布式作动器驱动的机械连杆结构(驱
航母弹射飞机起飞 目前，航母弹射飞机起飞的装置，使用最多的还是蒸汽弹射装置。考虑弹射问题，做了一点点初步的估算。这仅仅是一个粗线条的概算，有关结果，可能提供参考。 1，弹射过程加速度估算： 弹射末速度80 米/ 秒，相当时速288公里（160节），假设弹射加速长度100米（美国C—13—2弹射器）， 按照V = (2aS)EXP0.5公式计算， 80 米/ 秒＝（2a100米）EXP0.5 加速度 a ＝32 米/ 秒2＝3.26 g （此处的g代表重力加速度，g ＝9.8米/ 秒2） 2，弹射运动时间估算： S = 0.5at2 S = 100米，a = 32 米/ 秒2 ，t = 2.6 秒 3，弹射过程功率估算： 30吨飞机，加速度为1g情况下需要30吨即30000公斤弹射力，100米弹射距离，做功3000000公斤米。弹射时间粗略视为3秒，则功率1000000公斤米/ 秒＝13300马力（9790千瓦）。实际上弹射需要的加速度超过3g（按照前面1的估算），相应的功率约为3万千瓦。
一艘航母配备两条到四条弹射道，2－4个弹射器，最紧张时，四个弹射器都要投入工作。 4，弹射力估算： 弹射加速度a = 32 米/ 秒2 ，被弹射飞机起飞重量30吨情况下，由于弹射加速度a = 32 米/ 秒2 = 3.27 g，弹射力为30吨X 3.27 = 98吨。 5，美国C—13—2弹射器，轨道长度324英尺（99米），冲程306英尺（93米），气缸直径21英寸，冲程容积1527立方英尺，活塞与牵引器重量6350磅，里根号航母装备四套。蒸汽弹射 器每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳（95兆瓦秒，若弹 射在3秒内完成，则功率为32000千瓦，此数值与前面3的估 算结果接近），弹射器最短工作周期为45秒，平均每次弹射 耗用近700公斤蒸汽。 6，弹射气缸蒸汽压力估算： 设弹射力为98 吨，弹射气缸活塞直径为21 英寸（美国C—13 —2弹射器情况），换算为公制，活塞直径为21 X 2.54 = 53.3 厘米，活塞面积为2231 厘米2，使用双气缸，活塞面积加倍， 弹射蒸汽压强应当是22 公斤/ 厘米2，按照过去习惯的单位 就是22 大气压。工程上，22 大气压的参数，对于航母弹射装 置所需要的锅炉以及气缸，从技术层面来看是能够实现的。 下面是弹射器剖面示意图和实际结构照片。