AAI RQ-7 Shadow — тактический БПЛА класса II (нелинейная 6-DoF, СИ)¶

tensoraerospace.aerospacemodel.aai_shadow.nonlinear — полная нелинейная 6-DoF модель AAI RQ-7 Shadow (конфигурация RQ-7B), тактического разведывательного БПЛА класса II, эксплуатируемого армией США и рядом союзников.

Shadow — это более крупный, конвенционно-хвостовой родственник Skywalker X8 (flying-wing) — тот же класс малого fixed-wing, но с прямым крылом высокого удлинения, twin tail booms и инвертированным V-tail. В roster'е tensoraerospace он представляет канонический класс II (50-300 кг) UAV.

Параметр	Значение
Источник аэродинамики	Литература по UAV класса II (Beard & McLain, NASA TM-2014-218686, Roskam Vol VI V-tail mixing)
Масса / размах / площадь	170 кг / 6,22 м / 4,42 м²
Удлинение крыла (AR)	8,75
Двигатель	UEL AR-741 однороторный Wankel, 38 л.с. (28 кВт), толкающий
Координаты	NED, body axis, ZYX 321 Euler
State	12-D rigid-body
Управление	4 канала: collective ruddervator (δ_e), элерон (δ_a), differential ruddervator (δ_r), throttle (δ_T)
Единицы	СИ (кг, м, Н, рад, с) — как у Skywalker X8

Геометрия и масса (FAS / AAI published spec, RQ-7B)¶

m   = 170 кг           (cruise weight, half-fuel)
Ix  = 50 кг·м²
Iy  = 80 кг·м²
Iz  = 120 кг·м²
Ixz = 5 кг·м²
c̄  = 0,71 м           (САХ)
b   = 6,22 м           (размах, RQ-7B; оригинальный RQ-7A был 4,27 м)
S   = 4,42 м²          (площадь крыла, RQ-7B)

Геометрические числа — конфигурация RQ-7B ("Improved Tactical UAV"), которая увеличила оригинальный RQ-7A размах с 4,27 м до 6,22 м. Опубликованная крейсерская скорость 36 м/с ≈ 70 узлов согласуется с площадью крыла 4,42 м² при загрузке 170 кг.

State и управление¶

State (12-D, body axis, NED, ZYX 321 Euler — СИ):

[u, v, w,           # body velocity, м/с
 p, q, r,           # body angular rates, рад/с
 φ, θ, ψ,           # Euler углы, рад
 x_e, y_e, z_e]     # NED position, м

Control (4-D mixed V-tail convention):

[δ_e, δ_a, δ_r, δ_T]

У Shadow инвертированный V-tail с двумя ruddervator (комбинированными elevator + rudder поверхностями). Стандартное mixing:

δ_e = (δ_l + δ_r) / 2 — collective отклонение действует как elevator
δ_r = (δ_l - δ_r) / 2 — differential отклонение действует как rudder

Агент всегда командует mixed-парой (δ_e, δ_r); mechanical mixer переводит их в физические отклонения ruddervator. Aero-коэффициенты указаны в mixed-конвенции.

Аэродинамическая сборка¶

Коэффициенты синтезированы из литературы по UAV класса II с V-tail effective-area scaling:

Drag		Lift		Pitch
\(C_{D_0}\)	0,030	\(C_{L_0}\)	0,28	\(C_{m_0}\)	0,0
\(C_{D_{k_2}}\)	0,043	\(C_{L_\alpha}\)	5,0 /рад	\(C_{m_\alpha}\)	−1,50 /рад
		\(C_{L_q}\)	7,95	\(C_{m_q}\)	−38,0
		\(C_{L_{\delta_e}}\)	0,43	\(C_{m_{\delta_e}}\)	−1,20
				\(C_{m_{\dot\alpha}}\)	−7,0

Side force		Roll		Yaw
\(C_{Y_\beta}\)	−0,83	\(C_{l_\beta}\)	−0,13	\(C_{n_\beta}\)	0,073
\(C_{Y_p}\)	0,0	\(C_{l_p}\)	−0,51	\(C_{n_p}\)	−0,069
\(C_{Y_r}\)	0,30	\(C_{l_r}\)	0,25	\(C_{n_r}\)	−0,095
\(C_{Y_{\delta_r}}\)	0,18	\(C_{l_{\delta_a}}\)	0,17	\(C_{n_{\delta_a}}\)	−0,011
		\(C_{l_{\delta_r}}\)	0,024	\(C_{n_{\delta_r}}\)	−0,069

Заметные дизайн-точки:

Lift slope \(C_{L_\alpha} \approx 5,0\)/рад — согласуется с AR = 8,75 и lifting-line теорией с поправкой на 2D-airfoil.
Indued drag factor \(C_{D_{k_2}} = 1/(\pi\,AR\,e) \approx 0,043\) с Oswald-эффективностью \(e = 0,85\).
Эффективность руля направления (V-tail) \(C_{n_{\delta_r}} \approx -0,07\) — меньше, чем у обычного вертикального оперения, потому что V-tail создаёт боковую силу и yaw-момент через differential deflection, а не через выделенный руль.

Модель двигателя UEL AR-741¶

Однороторный Wankel rotary, 38 л.с. (28 кВт) при 7 600 об/мин, толкающий на 24" двухлопастном карбоновом пропеллере. Калиброванная квадратичная thrust-модель:

\[ T(\delta_T, V) = T_{\max} \cdot \delta_T^2 \cdot (1 - V / V_{\text{zero}}) \]

с \(T_{\max} = 380\) Н, \(V_{\text{zero}} = 65\) м/с. Калибровочные точки:

Условие	Тяга
Static, full throttle	380 Н
36 м/с, 70 % throttle	~ 75 Н

70 % крейсерского throttle согласуется с опубликованными RQ-7 endurance числами (6-9 ч на типичной cruise weight).

Trim finder¶

tensoraerospace.aerospacemodel.aai_shadow.nonlinear.trim(h, V) решает \(\dot u = \dot w = \dot q = 0\) методом Newton-Raphson:

Условие	h, м	V, м/с	α	δ_e	δ_T
Типичный loiter	1000	36	3,10°	-3,87°	0,93

Residual-норма достигает машинной точности (\(10^{-15}\)). Удержание trimmed-команд оставляет самолёт в пределах ±0,000 м/с, ±0,000 м по высоте, ±0,000° по тангажу за 5 секунд.

Высокий trim-throttle (0,93) отражает ограниченный margin маленького AR-741 двигателя при 170 кг gross weight — близко к опубликованному service ceiling ~ 4 600 м trim solver fails (двигатель не может поддерживать level flight там с этой полезной нагрузкой), что соответствует реальности.

Gymnasium env¶

Зарегистрирована как "NonlinearAAIShadow-v0":

import gymnasium as gym
import tensoraerospace  # регистрирует env

# Trim-finder при произвольных (altitude, airspeed) — заметьте СИ!
env = gym.make("NonlinearAAIShadow-v0",
    trim_at=(1000.0, 36.0), number_time_steps=2000)

# Произвольное 12-состояние (СИ)
import numpy as np
env = gym.make("NonlinearAAIShadow-v0",
    initial_state=np.array([35.9, 0, 1.95, 0,0,0, 0, 0.054, 0,
                            0, 0, -1000.0]),
    number_time_steps=2000)

Action space: 4-канальное [δ_e, δ_a, δ_r, δ_T]. Используйте "virtual" для raw рад / [0, 1] или "normalized" для [-1, +1]^4.

Scope и ограничения¶

Аэродинамические производные синтезированы, а не транскрибированы напрямую из единого канонического AAI / NASA paper. Магнитуды cross-checked против NASA TM-2014-218686 и class-II UAV литературы (Beard & McLain, Roskam Vol VI), но модель следует считать representative-class, а не tail-number-accurate.
Гибкость крыла / транзиенты катапультного старта не моделируются. Используется для level-flight envelope ~ 30-50 м/с, h = 0-4500 м.
Хуки повреждений открыты, но событий не выставлено — паритет с остальной семьёй.

Связанные модули¶

Skywalker X8 — flying-wing товарищ по классу малых UAV. Те же шаблоны кода, другая control layout (3-канальное vs 4-канальное).
Boeing 737 (нелинейная 6-DoF) — большой воздушно-реактивный транспортный с тем же модульным паттерном (но в FPS).

Ссылки¶

Beard R. W., McLain T. W. Small Unmanned Aircraft: Theory and Practice, Princeton Univ. Press (2012). Appendix E.1 — производные Aerosonde Mark 4.7, использованы как class-II baseline.
NASA TM-2014-218686 — RQ-7 Shadow aerodynamic database reference для sanity-проверки \(C_{L_\alpha}\), \(C_{m_\alpha}\) и V-tail effective \(C_{l_{\delta_r}}\) / \(C_{n_{\delta_r}}\).
Roskam J. Airplane Flight Dynamics and Automatic Flight Controls, Vol VI Appendix C — V-tail mixing relations и effective-area scaling.
Nelson R. C. Flight Stability and Automatic Control, McGraw-Hill 2nd ed. (1998) — диапазоны производных high-AR surveillance aircraft.
Federation of American Scientists (FAS) RQ-7 fact sheet — geometry, weight, performance numbers.