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| 內容簡介： |
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《软式空中无人加油自主对接技术》系统总结和梳理了软式空中无人加油各个环节面临的基础科学问题，对空中无人加油自主对接涉及的气动干扰、流固耦合机理等进行了分析，对影响自主对接成功率的导航制导与控制技术的难点进行了介绍。同时根据作者课题组近年来的研究成果，重点介绍了编队气动干扰建模、软管-锥套流固耦合数值模拟、锥套主动增稳控制、先进视觉导航、先进对接制导控制以及编队加油任务规划，给出了数值仿真与飞行试验的研究成果。为从事软式空中无人加油方面的研究人员提供了理论研究与工程应用上的指导。对发展更加先进的空中无人加油体系建模与分析手段、更加鲁棒可靠的自主对接控制框架提供有价值的参考。
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目录序前言第1章 空中无人加油的研究现状与挑战 11.1 空中加油发展概况 11.1.1 空中加油历史与现状 11.1.2 空中加油的系统组成 31.2 空中无人加油发展研究 71.2.1 “自主编队飞行”研究计划 81.2.2 “自主空中加油验证”项目 91.2.3 “自主高空加油”项目 91.2.4 UCAS-D无人机 101.2.5 MQ-25“黄貂鱼”无人加油机 111.2.6 空客“自主编队飞行与空中加油”技术研究 111.3 空中无人加油主要技术挑战 131.3.1 识别与精确导引技术 141.3.2 高精度对接控制技术 161.3.3 协同任务规划技术 17参考文献 18第2章 空中无人加油流场环境分析与建模 212.1 空中无人加油流场分析 212.1.1 阵风模型 222.1.2 大气紊流模型 232.1.3 加油机尾流建模方法 262.1.4 受油机头波效应建模 322.2 加油机尾流风场建模 372.2.1 风场建模坐标系 382.2.2 加油机尾流风场建模区域选择 382.2.3 加油机尾流风场建模 402.3 受油机等效气动力建模 422.3.1 加油机尾流场下的受油机等效速度和等效角速度 422.3.2 受油机等效气动效应法仿真 44参考文献 46第3章 软管-锥套流固耦合数值模拟 483.1 软管-锥套结构流固耦合仿真框架 493.2 刚柔耦合多体动力学仿真方法 523.3 基于动态重叠网格的计算流体力学方法 563.3.1 控制方程、离散方法与求解技术 563.3.2 基于非结构重叠网格的隐式并行装配方法 563.4 软管-锥套的流固耦合分析方法与实例 583.4.1 软管-锥套非定常CFD流固耦合仿真方法 583.4.2 加油锥套气动建模与流程动态插值方法 593.4.3 定常CFD流场动态插值 613.4.4 非定常CFD流固耦合仿真 653.5 受油机头波效应与甩鞭特性建模仿真 693.5.1 头波效应仿真概述 693.5.2 受油机接近过程建模 723.5.3 受油机对接速度剖面对锥套偏移量的影响 753.5.4 受油机初始相对位置对锥套偏移量的影响研究 813.5.5 甩鞭现象多体动力学模拟与抑制方法研究 843.6 主动增稳锥套技术和仿真实例 883.6.1 主动增稳方法及原理 883.6.2 软管-主动增稳锥套组合体建模 913.6.3 小翼式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 943.6.4 翼环式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 963.6.5 动量环式主动增稳锥套设计及飘摆抑制 99参考文献 105第4章 基于多焦复眼视觉的相对位姿估计 1074.1 多焦复眼视觉模型 1074.1.1 多焦复眼视觉成像原理 1074.1.2 多焦复眼视觉系统的标定方法 1094.1.3 多焦复眼视觉信息的获取与处理 1144.2 基于多焦复眼的相对位姿估计 1154.2.1 问题描述 1154.2.2 自适应位姿估计 1164.2.3 遮挡情况下的自适应位姿估计 126参考文献 129第5章 抗强光视觉导航技术 1305.1 基于传统视图几何的加油锥套识别 1315.1.1 图像预处理与特征点提取 1315.1.2 抗强光处理 1365.1.3 锥套位姿解算 1395.2 基于机器学习的加油锥套识别 1405.2.1 基于YOLOV4的锥套智能识别 1415.2.2 损失函数 1485.2.3 目标的中心像素坐标 1495.3 多目相机的识别结果融合 1495.3.1 坐标系转换 1505.3.2 多相机时间戳对齐 1515.3.3 红外相机融合策略 1515.3.4 可见光相机融合策略 1525.3.5 卡尔曼滤波 1535.4 试验验证与结果分析 1555.4.1 试验准备 1555.4.2 试验结果 1565.4.3 试验结果分析 156参考文献 158第6章 软式空中无人加油对接制导与控制技术 1596.1 对接运动动力学模型 1606.1.1 坐标系定义 1606.1.2 受油机运动动力学方程 1616.1.3 相对位置定义 1646.2 受油机对接制导系统设计 1666.2.1 基于总能量法的纵向制导律设计 1666.2.2 基于L1制导的横侧向制导律设计 1686.3 受油机对接控制系统设计 1706.3.1 鲁棒伺服控制原理 1716.3.2 纵向姿态控制律设计 1736.3.3 横侧向姿态控制律设计 1736.4 受油机先进对接控制方法 1746.4.1 基于干扰观测器的主动抗扰控制 1746.4.2 基于模型预测控制的对接轨迹规划控制一体化 1776.4.3 纵向航迹直接力控制 1836.5 考虑头波效应的迭代学习对接控制方法 1896.5.1 头波干扰对空中加油的影响 1896.5.2 受油机线性化LQR控制系统设计 1916.5.3 间接迭代学习控制系统设计 1926.6 空中无人加油自主对接演示飞行试验 1976.6.1 试验总体方案 1976.6.2 飞行试验结果分析 199参考文献 210第7章 多机编队加油任务规划与控制 2127.1 多机编队加油任务规划方法 2127.1.1 任务规划方法概述 2127.1.2 多机编队加油任务规划方法 2157.1.3 多机加油智能会合路径规划方法 2247.2 多机编队加油航迹规划 2317.2.1 多机编队加油的航迹规划方法 2317.2.2 基于改进人工势场法的编队航迹规划 2347.3 多机编队加油任务飞行控制 2367.3.1 多机编队飞行控制方法 2367.3.2 基于虚拟结构法的多机编队加油控制方法 2377.4 多机编队加油仿真案例 2417.4.1 多机编队加油任务规划仿真 2417.4.2 有障碍的多机加油场景仿真 245参考文献 264
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第1章空中无人加油的研究现状与挑战 1.1空中加油发展概况 1.1.1空中加油历史与现状 空中加油是指在飞行中通过加油机向其他飞机或直升机补充燃料的技术，可以显著提高飞机的续航能力[1]。截止到2019年，美国实际拥有加油机数量472架，全世界服役的空中加油机也己超过千架。但由于空中加油属于复杂危险的高难度作战技术，目前世界上只有20多个国家装备有空中加油机，能够*立生产制造空中加油设备的更是屈指可数。 航空史上**次真正意义上的空中加油出现在一个世纪以前。如图1.1所示，1923年，美国陆军航空队的两架DH-4B飞机在圣地亚哥湾上空通过人工操纵软管以重力自流的方式进行了加油[2]。此次试验先后在空中进行了两次，加油后的DH-4B飞机在空中持续飞行了6小时38分。同年10月美国陆军再一次进行了类似的试验，空中加油使一架飞机从华盛顿直接飞到了墨西哥的蒂华纳，在空中飞行时间达到了37小时。 图1.1两架DH-4B飞机完成*次空中加油试验 由于早期的空中加油都是通过手工操作的，因此没有得到广泛的军事运用。直到冷战爆发前，这项带有表演性质的技术还只是掌握在一些航空冒险家手中，他们利用这种技术不断创造着飞机持续航行的纪录。从1928年开始，各种飞机空中耐力纪录就不断被刷新：先是由比利时人利用该技术创造了60小时零7分的纪录并保持了一年；到了1929年，美国道格拉斯C-1飞机利用43次空中加油，获得21577升燃料，让飞机在空中持续飞行了172小时32分，创造了当时的世界纪录。 1933年，苏联一架TB-1式轰炸机采用扎帕诺万内研制的加油设备，成功地给一架P-5侦察机进行了空中加油。1934年，美国也研制出了空中加油设备。在第二次世界大战期间，空中加油技术开始用于实战。美、英两国的许多轰炸机在大西洋上空进行空中加油，然后再对德国进行远程奔袭。 1934年英国飞行员艾伦？约翰？科汉姆开发出了世界上*款真正实用的机上加油系统，该系统由带有羊角钩的钢缆、输油软管和输油泵组成。在操作时由飞行员抓住加油机抛出的钢缆，然后将软管插入自己飞机的油箱来完成空中加油。40年代中期，英国研制出插头-锥套式加油设备及绞盘软管式空中加油设备，标志着软式加油系统己经初具雏形（图1.2）。 图1.2科汉姆公司改进的软管锥套式加油装置 空中加油技术的发展源自二战以后对于远程长时间续航空中作战的需求，特别是随着喷气式飞机开始陆续装备，空军对于空中油料的加注速度和稳定性方面有了新的要求。自冷战爆发后，核武器开始成为世界强国的重要武器，其运载工具在*初的十几年时间里主要依靠远程轰炸机，所以尽可能地延长飞机航程开始成为军事大国的*要考虑，空中加油技术从此才真正正式被军方重视。 1948年，美国在戴维斯蒙森空军基地组建了世界上**支专门的空中加油部队，采用B-29轰炸机改装而成的KB-29M型空中加油机，使用英国科汉姆公司开发的软管-锥套式加油系统作为空中加油设备[3]。50年代初，美国研制出更先进的硬管式（即伸缩套管式）空中加油设备（图1.3）。1957年1月，美国空军的5架B-52战略轰炸机从加利福尼亚州卡斯尔空军基地起飞，在加油机的支援下实现了环球飞行。为保障这次实施全球空中打击的演练，美国空军共出动了98架KC-97加油机。此次环球战略巡航总共历时45小时15分，在世界上曾引起极大轰动。 图1.3波音公司开发的伸缩套管式加油装置1.1.2空中加油的系统组成 目前空中加油系统主要有三种方式：软式加油、硬式加油和混合式加油[4]。 软式加油又称软管-锥套式加油（probe and drogue refueling，PDR），该种加油系统主要由输油管卷盘装置、压力供应机构和电控指示装置等组成，有翼下加油吊舱式和中心线加油平台式两种系统[5]。加油吊舱式系统是把空中加油的所有设备和附件装在一个舱体内并悬挂在加油机机身或机翼下，吊舱内一般包含动力源、加油软管和卷盘机构、燃油升压泵、燃油压力和流量控制装置等。加油平台式系统是把空中加油设备设置在加油机机身内部的加油组合体，一般包括软管和绞盘、燃油系统、操纵台三个主要部分。在加油机上，装有一条16？30m的可收放的软管，软管末端装有一个带稳定伞的加油接头，稳定伞的作用是使软管在空中不至于上、下、左、右地摆动和松弛，稳定伞的钢骨架形成一个“漏斗”称之为锥套。受油机机头上方（也有设计在机翼前缘位置的）装有一个伸缩式（也有收放式或固定式）肘形探管受油器，其前部装有受油插头，插头本身是一种自封阀门。加油时，加油机抛出软管-锥套，受油机飞行员调整飞行速度、航向和高度，待受油插头插入加油锥套并向前滑动而进入加油接头，受油插头和加油接头*先夹紧并密封，然后加油接头和受油插头的阀门打开形成加油通路，加油机油箱内的燃油就可以流入受油机[6]（图1.4）。 软式加油装置结构简单、自成体系、易于拆装，便于在现有飞机型号上改装（图1.5）。同时也可以在一架加油机上安装多套软式加油装置，能同时为数架飞机加油，实现多点式加油。例如在左、右机翼下挂加油吊舱的两点式加油机，在机翼下挂加油吊舱和机身内装加油平台的三点式加油机。对于大型加油机，加油吊舱通常挂载在机翼外侧或者机尾下方，吊舱内的电机可以驱动绞盘进行正反转 图1.4软式空中加油（HY-6加油机为J-10战斗机加油） 图1.5软式空中加油装置（KC-46软式加油系统）[7] 动，从而控制软管-锥套系统的收放。吊舱式软式加油系统还可以由战斗机或攻击机携带，对同类飞机实施伙伴加油（图1.6）。软式加油系统可不配备专职的加油员，整个过程主要由受油机驾驶员通过控制受油机使插头和锥管对接来完成。软式加油方式输油速度较慢，约为1500L/min，因此一般适用于给加油量少的战斗机、强击机加油。1991年12月，我国采用轰油-6加油机与歼-8II受油机成功开展空中加油飞行试验，标志着我国*次掌握软式空中加油技术，不仅大大提高了空、海军远程作战能力，同时为后续多种新型战机的加油、受油系统研发奠定了坚实基础[8]。 硬式加油又称硬管式加油（flying boom refueling，FBR），该种加油系统主要由伸缩套管、电控指示监控装置和压力加油机构等组成（图1.7）。伸缩套管由主管和内管两根套在一起的刚性管组成，一般配置在加油机尾部下方，其中主管外壁装有升降舵和方向舵，用来控制伸缩管的姿态；内管能沿管轴伸缩，其末端装有对接装置。伸缩套管以铰链机构与加油机连接[9]（图1.8）。 硬式加油需要设置加油操作舱，如图1.9所示，整个加油的过程需要由操作舱内的加油人员来进行控制。加油时，加油机放下伸缩套管，稳定舵在气流作用下，将伸缩套管稳定在一定的空间范围内。内管从主管内伸出，以尽量加大加、受油机之间的距离。与此同时，受油机飞到加油机的后下方保持加油编队飞行，加油操作员操纵伸缩管使其从受油机的受油滑槽滑入受油口并锁住，两机的相对位置变化由伸缩管的伸缩和左、右、上、下调整来协调，伸缩套管本身即为输油管，加油机油箱内的燃油由加油机升压泵打出经伸缩管流入受油机机身背部的油箱。 图1.9硬式加油杆操纵舱视图 硬管式加油设备稳定性好，容易与受油机对接。由于采用金属输油管，流阻较小，且输油管的直径大，因而输油效率比较高，一般为4000L/min，*高可达6500L/min[1。]。但其制造技术比较复杂，一架加油机在同一时间内只能对一架受油机进行加油，属于单点式加油系统，一般只有大型加油机才能装备这类设备（如KC-10和KC-135），比较适合为运输机或战略轰炸机加油。目前只有美国生产硬管式空中加油系统。美国空军装备的战机都采用硬式加油系统；美国海军装备的加油机都由航母用的战术飞机发展而来的，因此美国海军和海军陆战队的飞机采用软式空中加油系统。 目前，根据使用实践及多机种协同作战的需要，世界上又出现了两种融合软、硬式加油系统的加油机：一种是在加油机的尾部安装伸缩套管，飞机的两翼下再挂加油吊舱，构成混合式三点加油机；另一种是在硬管搭接软管-锥套适配器（图1.11），把伸缩套管末端的加油接嘴替换成带有一小段软管的锥管而构成混合式加油系统[11]，使硬式加油机在必要时也可进行临时改装，为装有软式受油系统的飞机加油，由于末端是软管，故其加油过程与软式加油相近。图1.10为美国空
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