刘志杰等：空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 151· KEY WORDS autonomous aerial refueling:probe-drogue refueling:partial differential equation:docking control;vibration control 空中加油自问世以来一直在军事上备受重 的设备是硬管，也叫伸缩管，伸缩管自加油机的机 视，经空中加油，战机能大幅增加作战航程，扩大 尾伸出，其末端安装有“V”型舵面，可以起到辅 作战范围，据美国NASA德莱顿飞行研究中心统 助伸缩管的作用，受油机背部装有油箱接口，如图1 计，一次空中加油可使战斗机的作战半径增加 所示.加油时，加油机和受油机协同操作，使伸缩 30%~40%川除此之外，空中加油还可提高战机的 管插入油箱接口中，传输燃油阿传输一定量后， 载重能力，延长战机的留空时间等，能大幅提高战 加油机操纵伸缩管从受油机中开脱，加油结束.硬 机的作战效能.比较典型的空中加油应用实例是 管式加油具有很明显的优点：对接难度较低，受油 1991年的海湾战争“沙漠风暴”行动.该行动多国 机保持和加油机编队飞行即可：输油效率较高，每 部队累计出动20410架次加油机，为60543架次作 分钟输油量高达6500升.但一架加油机一次只能 战机进行空中加油，加油总量为6753亿升，是空 为单架受油机进行输油，且伸缩管的刚性结构在 中加油的一次超大规模应用.空中加油在民用上 对接时易折损，安全性较低)，除此之外硬管式加 也逐渐展现出它的优势.英国借助空中加油技术 油系统的结构复杂，成本也较高 增加了邮政机航程，开辟了伦敦至纽约的通邮航 线)近年来，随着无人飞行器的飞速发展，未来空 中加油将会在民用领域发挥更巨大的商业价值. 空中加油的主要形式有两种，一种为软管-锥 套式，又称软管式：另一种为伸缩管式，又称硬管 式.软管式空中加油因为其特有的优势，已成为目 前最广泛的加油方式.尤其近年来无人驾驶航空 图1硬管式空中加油 系统的发展，极大地推动了自主空中加油(Auto- Fig.1 Flying boom aerial refuelingl nomous aerial refueling,AAR)的研究.而软式空中 1.1.2软管式空中加油 加油方式更适合在无人驾驶航空系统的需求，因 软管式空中加油由英国空中加油有限公司研 此软管式空中加油的研究受到日益广泛的关注. 发，使用的设备称为加油吊舱或加油平台，安装在 在软管式自主加油系统的研究中，加油软管系统 加油机的机舱中或机翼下，受油机头部安装有可 的建模和控制设计是最重要但是最复杂的部分， 许多研究人员将焦点聚集在此，接连发表相关的 伸缩或固定的受油探头，如图2所示.加油时，加 油机从加油平台中释放出加油软管，软管末端加 有价值的成果.但是关于软管-锥套系统的建模和 控制设计的研究综述并不多见.考虑软管式空中 装伞形锥套，锥套加装自锁机构.受油机绕着加油 机的尾部移动到指定的加油线上，以稳定的方式 加油的重要需求，综合大量文献，了解并评估了这 接近锥套，并尝试用受油探头将其捕获.捕获成功 些不同模型，本文综述了该领域的研究进展 后，自锁机构锁紧，对接完成，加注燃油.加油后， 1空中加油 受油机拉开与加油机的距离，超过一定载荷时，锁 空中加油是指在高空进行的一架航空器向另 一架或多架航空器传输燃油的过程.空中加油可 使受油机在不落地的情况下获得足量燃油，增加 受油机的航程、航时与载重能力.是军事上增加 战机航程和延长战机留空时间的重要方式 1.1空中加油的分类 根据加油管路的不同形式，空中加油主要分 为硬管式空中加油和软管式空中加油， 1.1.1硬管式空中加油 图2软管式空中加油 硬管式空中加油由美国波音公司研发，使用 Fig.2 Probe-drogue aerial refuelinglKEY WORDS    autonomous aerial refueling；probe-drogue refueling；partial differential equation；docking control；vibration control 空中加油自问世以来一直在军事上备受重 视，经空中加油，战机能大幅增加作战航程，扩大 作战范围，据美国 NASA 德莱顿飞行研究中心统 计 ，一次空中加油可使战斗机的作战半径增加 30%～40% [1] . 除此之外，空中加油还可提高战机的 载重能力，延长战机的留空时间等，能大幅提高战 机的作战效能. 比较典型的空中加油应用实例是 1991 年的海湾战争“沙漠风暴”行动. 该行动多国 部队累计出动 20410 架次加油机，为 60543 架次作 战机进行空中加油，加油总量为 6753 亿升[2] ，是空 中加油的一次超大规模应用. 空中加油在民用上 也逐渐展现出它的优势. 英国借助空中加油技术 增加了邮政机航程，开辟了伦敦至纽约的通邮航 线[3] . 近年来，随着无人飞行器的飞速发展，未来空 中加油将会在民用领域发挥更巨大的商业价值. 空中加油的主要形式有两种，一种为软管–锥 套式，又称软管式；另一种为伸缩管式，又称硬管 式. 软管式空中加油因为其特有的优势，已成为目 前最广泛的加油方式. 尤其近年来无人驾驶航空 系统的发展，极大地推动了自主空中加油（Auto￾nomous aerial refueling, AAR）的研究. 而软式空中 加油方式更适合在无人驾驶航空系统的需求，因 此软管式空中加油的研究受到日益广泛的关注. 在软管式自主加油系统的研究中，加油软管系统 的建模和控制设计是最重要但是最复杂的部分， 许多研究人员将焦点聚集在此，接连发表相关的 有价值的成果. 但是关于软管–锥套系统的建模和 控制设计的研究综述并不多见. 考虑软管式空中 加油的重要需求，综合大量文献，了解并评估了这 些不同模型，本文综述了该领域的研究进展. 1    空中加油 空中加油是指在高空进行的一架航空器向另 一架或多架航空器传输燃油的过程. 空中加油可 使受油机在不落地的情况下获得足量燃油，增加 受油机的航程、航时与载重能力. 是军事上增加 战机航程和延长战机留空时间的重要方式. 1.1    空中加油的分类 根据加油管路的不同形式，空中加油主要分 为硬管式空中加油和软管式空中加油. 1.1.1    硬管式空中加油 硬管式空中加油由美国波音公司研发，使用 的设备是硬管，也叫伸缩管，伸缩管自加油机的机 尾伸出，其末端安装有“V”型舵面[4] ，可以起到辅 助伸缩管的作用，受油机背部装有油箱接口，如图 1 所示. 加油时，加油机和受油机协同操作，使伸缩 管插入油箱接口中，传输燃油[5] . 传输一定量后， 加油机操纵伸缩管从受油机中开脱，加油结束. 硬 管式加油具有很明显的优点：对接难度较低，受油 机保持和加油机编队飞行即可；输油效率较高，每 分钟输油量高达 6500 升. 但一架加油机一次只能 为单架受油机进行输油，且伸缩管的刚性结构在 对接时易折损，安全性较低[3] ，除此之外硬管式加 油系统的结构复杂，成本也较高. 图 1    硬管式空中加油[2] Fig.1    Flying boom aerial refueling[2] 1.1.2    软管式空中加油 软管式空中加油由英国空中加油有限公司研 发，使用的设备称为加油吊舱或加油平台，安装在 加油机的机舱中或机翼下，受油机头部安装有可 伸缩或固定的受油探头，如图 2 所示. 加油时，加 油机从加油平台中释放出加油软管，软管末端加 装伞形锥套，锥套加装自锁机构. 受油机绕着加油 机的尾部移动到指定的加油线上，以稳定的方式 接近锥套，并尝试用受油探头将其捕获. 捕获成功 后，自锁机构锁紧，对接完成，加注燃油. 加油后， 受油机拉开与加油机的距离，超过一定载荷时，锁 图 2    软管式空中加油[6] Fig.2    Probe-drogue aerial refueling[6] 刘志杰等： 空中加油机加油软管系统建模和控制研究进展 · 151 ·