自由飞行柔性飞机与阵风相互作用的耦合气动弹性-飞行动力学框架

本文提出了一个完整、自包含的数学框架，用于模拟自由飞行柔性飞机遭遇大气阵风时的耦合气动弹性与飞行动力学行为。该框架集成了三个物理学科：用于结构动力学的几何精确非线性梁理论，基于西奥多森薄翼型理论并包含用于尾流脱落和阵风穿透效应的指数函数的非定常二维片条空气动力学，以及用于无奇点姿态传播的基于四元数的刚体飞行动力学。耦合系统被组装成一阶状态空间形式，适用于时域仿真、模型降阶和控制设计。文中提供了所有耦合项的详细推导，包括气动坐标系与结构坐标系之间的坐标变换、雅可比块结构以及阵风输入矩阵。处理了两种阵风模型：认证标准离散阵风和冯·卡门连续湍流谱。该框架通过与已发表的基准测试（包括高空长航时飞机配置和非常灵活的飞翼）进行对比验证，在结构频率、颤振速度和静气动弹性偏转方面显示出高度一致性。本文为研究人员实现用于非常柔性飞机的耦合气动弹性-飞行动力学分析工具提供了一个自包含的参考。