Research on control allocation methods during the landing transition phase for aircraft equipped with lift fan and thrust vectoring

This dissertation investigates the landing transition phase of STOVL carrier-based aircraft equipped with a lift fan and thrust-vectoring nozzle, focusing on multi-actuator control allocation, automatic landing, and safety envelopes amidst rapid dynamic pressure decay and complex sea states. First, a flight-propulsion coupled mathematical model is developed, incorporating the lift fan, three-bearing swivel nozzle (3BSN), thrust efficiency degradation, and a marine environment model with carrier airwake and deck motion. Second, to efficiently coordinate aerodynamic surfaces and direct thrust effectors, a dynamic-weighted quadratic programming control allocation strategy based on real-time dynamic pressure scheduling is proposed. Combined with nonlinear dynamic inversion, a decoupled direct force control law is designed to ensure smooth mode transitions during large-envelope deceleration and continuous lift-fan tilting. Furthermore, a method based on dynamic steady-state trim is presented to calculate the steepest glideslope capability. By evaluating thrust configurations and entry speeds, the safe glideslope envelope is identified to provide physical guidance for safe trajectory design. Finally, Monte Carlo simulations under Sea State 4 demonstrate an 80.25% landing success rate, validating the robustness and effectiveness of the proposed control law and allocation strategy against severe external disturbances.

Questa tesi analizza la fase di transizione all'atterraggio degli aerei imbarcati STOVL dotati di ventola di sostentamento e ugello a vettorizzazione della spinta, concentrandosi sull'allocazione del controllo multi-attuatore, l'atterraggio automatico e gli inviluppi di sicurezza in presenza di rapido decadimento della pressione dinamica e condizioni marine complesse. In primo luogo, viene sviluppato un modello matematico accoppiato volo-propulsione che integra la ventola di sostentamento, l'ugello rotante a tre cuscinetti (3BSN), il decadimento dell'efficienza della spinta e un modello ambientale con scia della nave e movimenti del ponte. In secondo luogo, per coordinare in modo efficiente le superfici aerodinamiche e gli attuatori di spinta diretta, si propone una strategia di allocazione del controllo basata sulla programmazione quadratica a pesi dinamici, pianificata in base alla pressione dinamica in tempo reale. Combinata con l'inversione dinamica non lineare (NDI), viene progettata una legge di controllo della forza diretta disaccoppiata per garantire transizioni fluide durante ampie decelerazioni e l'inclinazione continua della ventola. Inoltre, si presenta un metodo basato sul trim di equilibrio dinamico per calcolare la massima pendenza di discesa. Valutando le configurazioni di spinta e le velocità di ingresso, viene identificato l'inviluppo di discesa sicuro per guidare fisicamente la progettazione delle traiettorie. Infine, le simulazioni Monte Carlo in condizioni di Stato del Mare 4 mostrano un tasso di successo dell'atterraggio dell'80,25%, convalidando la robustezza e l'efficacia della legge di controllo e della strategia di allocazione proposte contro gravi disturbi esterni.