放宽静稳定度技术

放宽静稳定度技术（通用2篇）

放宽静稳定度技术 篇1

所谓静稳定度j指气动中心到飞机重心的距离，气动中心在重心之后静稳定度为正，飞机是静稳定的；气动中心在重心之前静稳定度为负，飞机是静不稳定的。

在亚音速飞行状态，普通飞机的翼身组合体的升力中心在重心稍后的某个距离（静稳定），这时翼身组合体的升力所产生的负俯仰力矩（机头向下的力矩），由平尾的下偏，以产生向下的升力来平衡，尾翼的.升力从翼身组合体升力中减去，因而使总的升力减少。而且由于飞机的静稳定特性，飞机有保持原有飞行状态的趋势，使飞机的操纵也不灵活。而放宽静稳定度的飞机，气动中心可以很靠近重心也可以重合，甚至在重心的前面，飞机的稳定度变得很小甚至不稳定，飞行中主要靠主动控制系统（即自动增稳系统）主动控制相应舵面，保证飞机的稳定性。这时为保持平衡只需要较小的甚至向上的平尾升力去平衡翼身组合体的正俯仰力矩（机头向上的力矩）。

在超音速状态，无论普通构形的飞机还是放宽静稳定性的飞机，都具有作用在重心之后的翼身组合体升力矢量。因为放宽静稳定度的飞机的重心比普通飞机的重心更靠后，这样为配平由于翼身组合体升力升起的负俯仰力矩所需要的尾翼向下载荷比普通飞机要小，因而就可以大大减少尾翼足寸和重量，使其在超音速状态也具有较高的升力。

由此我们可以看出，采用放宽静稳定性的手段，可以大幅提高飞机的性能。首先，使飞机的平尾用于平衡所需的面积可以大大减小，因此平尾的重量可以减轻，阻力可以减小，另外对于静不稳定的飞机，尾翼的升力和翼身组合体升力方向一致，这样飞机的总升力也得到了提高。

研究表明，放宽静稳定度为战斗机带来的效益是当静稳定裕度取为-12%平均气动弦长时，飞机的起飞总重可减少8%，所需发动机推力可减少20%，如果再加上控制机动载荷的效果可使设计总重减少18%。

在轰炸机上采用这种技术效果也是很明显的，如CCV B-52试验机平尾面积从84平方米降到46平方米，在原发动机和起飞总重条件下，结构重量减少6.4%，航程增大4.3%，如果原载重、航程不变，起飞总重可以减少 10-15%，B-l轰炸机如果在设计初期阶段就采用放宽静稳定度要求的话，其起飞总重可减少36吨，用2台发动机就可以完成原来4台发动机的任务。如果把放宽静稳定度要求和控制机动载荷结合起来，可使轰炸机设计重量减少20%以上。

放宽静稳定度要求对战斗机性能的提高主要体现在提高战斗机的机动性方面以及完成任务的效率方面。如一架重心位置处于25%平均气动弦和一架重心位置处于38%平均气动弦的放宽静稳定度的飞机相比，在中等空载重量、最大推力、900米高度的条件下，后者转弯速度增加0.75度/秒（M＝0.9时）～1.1度/秒（M＝1.2时）；M数从0.9增加到1.6的加速时间减少1.8秒左右；空战燃油节省180公斤；承受机动过载的能力也提高了，在M数为0.6，0.9，1.2时过载系数分别提高0.2g，0.4g，0.8g；此外还可以提高升阻比：在M＜l时可提高8%，M＞l时可提高15%。这些就使战斗机的机动性大大提高。

如果拿F-16战斗机和法国战斗机“幻影”Fl，瑞典的Saab-37，苏联歼击机米格-21相比，性能就很突出，除高空最大速度，F-16稍低于其他三种飞机外，其他性能均比它们优越。其原因之一就是F-16采用了主动控制技术。

放宽静稳定度技术 篇2

深空测控上行链路的根本需求是提高全向辐射功率 (EIRP) , 上行天线组阵可以在较低成本条件下获得高EIRP值。NASA也将发展上行天线组阵技术作为未来20年进一步发展的关键技术之一。上行天线组阵技术的关键在于使得在目标处的射频信号能够相干合成[1,2,3], 这就对各天线间的时频同步提出了极高的要求。近些年来, 美国、日本以及欧洲各国都对利用光纤进行时频传输展开了一系列相关研究, 并在系统稳定度指标上取得了很好的试验结果[4,5,6], 系统万秒稳定度达到10-17量级。国内清华大学、中科院国家授时中心等研究结构也在开展相关试验, 并取得了一些成果[7,8], 但也仅仅处于试验阶段, 就调研所知, 国内还没有将利用光纤进行高稳定度时频传输技术应用于工程应用。为此, 本文提出了一种适用于几千米区域上行组阵的光纤时频相干传输的方法, 并进行了测试验证。

1 光纤时频相干传输的原理

通常情况下, 可以直接利用光纤将频率源输出频率标准传输至远端, 在传输的过程中, 传输信号会受到如环境温度、机械振动等光纤自身因素的影响, 从而导致远端频率标准信号不再“纯净”, 频率稳定度也会受到恶化[9]。为了满足上行天线组阵对时间同步精度和频率稳定度的要求, 选择了一种基于光学补偿的时频传输方法[10]。

1.1 温度对光纤时频传输的影响

为了保证频率标准信号可以“无损”地传输到远端, 首先分析温度对光纤时频传输系统的影响。标准通信光纤的典型温度系数k=7 ppm/oC (1 m光纤对应5 ns左右的时延) , 设温度带来的时延变化为D,

式中, ΔTSF为地面温度的变化范围;LSF为暴露光纤长度, 包括光缆进出口以及天线光缆卷绕部分;ΔTUG为地下1 m深处的温度变化范围;LUG为深埋光缆的长度。

假设取ΔTSF=50oC, ΔTUG=2.5oC, LSF=100 m, LUG=1 000 m, 根据式 (1) 计算可得时延的变化量D约为262 ps。以S波段2.2 GHz为例, 若要求时间同步精度要求在10 ps以内, 该时频传输系统需要采取一些措施来进行补偿。

温度变化引起的相位抖动会引起远端频率标准的稳定度损失, 相关分析工作已在一些参考文献中做了论述[11,12]。由相关分析结果可知, 温度引起的频率稳定度损失与光纤长度L、光纤温度系数α、光纤折射率n以及温度变化幅度ΔT成正比, 并且温度变化的周期也会影响频率稳定性损失, 而与传输频率f0无关。对本文的应用场景进行分析可知, 传输高稳定度的原子频标, 温度变化引起光纤物理性质的变化, 由此带来的频率稳定度损失对短期稳定度几无影响。但是, 从长期稳定度来说, 温度带来的稳定度损失对于长期稳定度好原子钟 (如氢钟) 稳定性还是会造成恶化 (氢钟万秒稳定度约为1×10-15, 温度引入的稳定度损失约为10-14量级) 。如果传输距离进一步增加, 温度变化对长期稳定度影响也会随之进一步加大。综上所述, 对于长期稳定度比较好的原子频标, 温度带来的光纤链路的时间抖动是不可忽略的, 要想保证光纤传输频标稳定度不受损失, 对于时间抖动的测量[13]和补偿就必不可少了。

1.2 基于光纤延迟线的光学补偿原理

由上述分析可知, 在光纤时频传输系统中, 温度变化是引起系统稳定度损失的一个重要的因素。为了满足高稳定度传输, 目前国内外主要的试验方法有3种[14], 本文选择了基于光纤延迟线的光学补偿方法。3种不同种类的光纤延迟线的原理以及特点如表1所示。

根据上节分析, 温度引入的系统稳定度损失主要体现在长期稳定度上, 由于平均时间比较长, 因此对于光纤延迟线的响应速度并没有过高的要求。由于上节计算得到的温度引起的该系统的时间抖动约为262 ps, 这要求光纤延迟线的补偿范围需要>300 ps。针对这种应用需求, 选择了General Photonics公司的”MOTORIZED DELAY LINE MDL-002”, 工作时由RS232串口输入以ps为单位的控制信号以完成相应光程变化。光纤延迟线 (Optical Delay Line) 内部由平移轨道、反射镜片和步进电机构成, 输入控制信号后步进电机推动镜片在平移轨道上精确移动位置, 以达到控制光程变化的目的。其发生一次光程变化时由内部工作的机械装置完成, 因此响应速度较慢, 工作频率仅能达到Hz量级。实际的时延抖动补偿试验中, 选取其工作在560 ps (约17 cm) , 工作频率为0.5~1 Hz。

1.3 光学波分复用技术

由于光纤延迟线是通过接收以ps为单位的控制信号以完成相应光程变化从而实现补偿链路时间抖动的目的。为了补偿链路的时间抖动, 首先需要链路的时间抖动进行精确测量。在该试验中, 时间抖动的测量方法是通过测量载波相位抖动来实现的。为了提高测量精度, 在本方案中选择一个频率较高的精测音来对链路时间 (相位) 抖动进行监测, 通过一系列运算、处理得到延迟线的控制量, 实现对链路时间抖动的补偿。由于在本试验中传输的频率标准为100 MHz, 测量时间抖动使用的精测音频率为1 GHz。为了使二者互不干扰的传输, 在该试验方案中还利用了波分复用技术[15]。将频率标准信号和精测音信号分别利用波分复用的2个波长进行传输, 再通过解复用技术实现二者的分离, 从而实现二者互无干扰的传输。

2 系统实现的原理

本文提出的一种光纤稳相时频传输方案的原理图如图1所示。

系统主要由发射模块、接收模块、波分复用器、光纤延迟线、鉴相模块、控制模块、监控模块和频综等几部分构成。其时频相干传输原理是:在近端, 分别将100 MHz频率标准信号以及频综输出的1 GHz精测音信号分别经过电光转换调制到2个不同的光载波上, 通过波分复用的方式通过一根光纤传递到远端。在远端通过一个解复用器再将2个不同波长的光信号分离, 然后通过环形器和一个耦合器可以将载有1 GHz信号的光波返回到近端。近端的接收模块将返回的携带有1 GHz信号光波解调输出带有光纤链路相位抖动的1 GHz精测音信号, 然后将该信号与近端的参考精测音信号进行鉴相, 得到链路相位抖动信息。鉴相模块将相位抖动信息送给控制器, 控制器经过采样、PID (比例积分微分) 运算得到控制量, 并将该控制量发送给光纤延迟线。光纤延迟线接收到控制器发送的命令, 根据命令调整传输链路的光程, 从而达到补偿链路相位抖动 (时间抖动) 的目的。

3 试验结果分析

3.1 时间抖动测量结果

由于在实际的闭环补偿的方案中需要在光纤中将频综输出的1 GHz精测音信号进行双向传输, 为了测试在双向传输时光纤链路延迟的测试结果, 在该实验中将载有1 GHz精测音信号的光波经过1 km光纤传输到远端后再利用耦合器和环形器将部分光信号返回进行双向光纤链路延迟的测量。在测量时间内, 闭环条件下链路延迟抖动测试的结果如图2所示, 由图2 (b) 可以看出在测试时间内, 光纤延迟线补偿量的变化已超过130 ps, 从而间接说明了在测试时间内温度变化引入的链路延迟的变化量也超过了130 ps。经过闭环补偿后链路延迟抖动的变化如图2 (a) 所示, 由图2 (a) 看出, 在测试时间内, 时延抖动由原来的超过130 ps减小至10 ps以内, 链路延迟抖动得到了很好的补偿。

远端返回信号和近端参考信号进行鉴相得到的相位测试结果如图3所示。由相位测量结果看出, 在测试时间内, 鉴相结果都基本可以收敛到参考相位附近, 闭环稳定时相位值的抖动 (鉴相结果的标准差) 为0.29°。

3.2 阿伦方差测试结果

为了测试系统闭环后的稳定度指标, 在完成系统的搭建后, 测试了系统的阿伦方差。测试方法是将经过该电-光-电转换系统和1 km光纤的100 MHz频标信号送入阿伦方差测试仪 (Symmetricom 5125A) , 参考信号选择为氢钟输出的另外100 MHz信号。因此, 该阿伦方差测量结果是该系统以及光纤链路对传输频标带来的相对频率稳定性损失。分别测试系统在开环和闭环条件下的阿伦方差测试结果, 测试结果分别如图4和图5所示。

从测试结果看出, 开环时, 光纤传输系统秒稳约为2×10-13, 千秒稳约为5×10-1 5。这样, 开环情况下的千秒稳定度对于原子频标的长期稳定度会造成损失[13]。在闭环补偿后, 秒稳阿伦方差达到2.49×10-13, 千秒稳达到3.5×10-16量级, 相对于开环时测量结果, 闭环时千秒稳测量结果约提高了一个数量级, 这样经过补偿后的系统就不会对频标的长期稳定度造成损失, 从而满足上行天线组阵技术的频率稳定度需求。

4 结束语

理论分析表明, 温度对光纤时频传输系统的长期稳定度会造成一定损失, 利用光纤延迟线进行光学补偿是一种有效的提高系统传输稳定度的方法。闭环系统测试结果表明, 该种补偿方案可以很好地实现对系统时间抖动的补偿, 实现了ps级光纤链路延迟抖动的测量和补偿, 系统的长期稳定度提高了一个数量级。该系统能够满足上行天线组阵技术对时频信号的稳定度需求, 对高稳定度光纤时频传输技术研究一定的参考价值。

摘要：针对上行天线组阵技术对高稳定度时频信号的需求, 提出了一种适用于几千米量级的高稳定度光纤时频传输方案。详细介绍了该方案的原理和实现方法, 并对该光纤时频传输试验系统进行了相关测试。初步试验结果表明, 系统实现了闭环链路延迟抖动小于10 ps, 载波相位抖动为0.29°;在传输100 MHz频标时, 1 km闭环光纤时频传输系统的阿伦方差指标为4×10-16/1 000 s, 能够使得频率标准信号“无损”地分发至各节点, 可用于千米区域内分布式系统的高精度时频同步场合。