用于飛行品質評價訓練的動力學建模方法

劉超, 劉智漢, 黨維

(1.中國飛行試驗研究院 中航工業飛行仿真航空科技重點實驗室, 陜西 西安 710089;2.中國商用飛機有限責任公司 民用飛機模擬飛行國家重點實驗室, 上海 201203)

0 引言

常用的試飛員品質評價訓練的動力學建模方法有兩種:一是建立等效系統模型[1];二是通過狀態反饋或模型跟隨的控制律調參改變飛機的飛行品質特性,該方法主要應用于變穩飛機。方法一參數設置方便、模型簡單,適用于早期計算機非常落后時期的品質特性模擬。其缺點是每次只能模擬單個運動參數,多個模擬參數的關系匹配比較困難,不能適應現代模擬技術條件下飛行員對模擬環境的需求。方法二通過控制律調參改變飛機的飛行品質特性,理論上合理、可行,但在實際應用中調參非常困難,無法準確獲得需要模擬的飛行品質特性,而且受平臺飛機能力的限制,能夠模擬的飛行品質特性范圍和種類有限。

本文首先根據飛機的動力學原理,利用氣動、飛行狀態和質量特性等參數建立不同飛行品質特性的數學描述(模型或算法),并允許適當地簡化;然后,按照有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質標準[2],根據試飛員品質評價訓練的需要預設不同類型、不同等級的飛行品質特性,利用上述數學模型反推所需的氣動參數;最后,通過常規的飛機動力學建模和仿真方法實現連續變化飛行品質特性的全量飛行模擬,為模擬器提供所需關系匹配的各類提示信息,以滿足試飛員和試飛工程師飛行品質評價訓練的需求。

1 變飛行品質特性的動力學建模

1.1 縱向動力學建模

本文主要給出了模擬縱向靜穩定性、機動穩定性和短周期模態的動力學建模方法。

(1)

(2)

圖1 重心對飛機縱向穩定性的影響Fig.1 Influence of gravity on longitudinal stability of the aircraft

(2)短周期模態[1,3]。根據飛行動力學理論,短周期頻率ωsp和阻尼比ζsp為:

(3)

(4)

1.2 橫航向動力學建模

飛機橫航向飛行品質內容較多,本文主要給出了模擬航向靜(風標)穩定性、橫向靜穩定性(上反角效應)、有利/不利偏航、荷蘭滾模態、滾轉模態和螺旋模態的橫航向動力學建模方法。

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(7)

(8)

(9)

(5)荷蘭滾模態[1,3]的頻率ωnd和阻尼比ζd為:

(10)

其中:

(6)螺旋模態[1]的特征方程為:

(12)

2 仿真驗證及結果分析

2.1 縱向動力學模型的仿真驗證

固定縱向其他氣動參數,通過調整Cmα模擬重心在前、中、后、hn、hn與hm之間、hm、hm之后7個位置的靜穩定性和機動穩定性。圖2給出了飛機重心分別在正常位置、hn和hm時,俯仰角速度和法向過載的方波響應。

圖2 重心位置對靜穩定性和機動穩定性的影響Fig.2 Influence of the CG position on static stability and dynamic stability

由圖2可以看出,正常重心和重心在hn時,飛機響應分別為二階和一階特性;重心在hm時,過載響應基本呈中性。仿真結果表明，縱向動力學模型能夠模擬飛機在不同重心位置時的穩定特性。

本文利用頻域等效系統擬配方法[4],對預設短周期頻率和阻尼比的模型進行等效系統擬配。擬配結果如表1所示,表明利用本文建模方法得到的飛機動力學模型的短周期頻率和阻尼比與預設值完全吻合。

表1 等效系統擬配結果Table 1 Matching results of the equivalent system

圖3為短周期模態分別設置相同頻率、不同阻尼和相同阻尼比、不同頻率時模型的階躍響應。從圖中迎角響應的快慢和振蕩次數不難看出,利用本文方法所建的縱向動力學模型能夠模擬各種頻率和阻尼比組合情況的短周期模態特性。

圖3 短周期響應Fig.3 Short period oscillation response

2.2 橫航向動力學模型的仿真驗證

橫航向動力學模型需要驗證的內容較多,限于篇幅僅給出荷蘭滾模態、滾轉模態和螺旋模態的仿真驗證結果。仿真結果如圖4～圖6所示。

圖4中側滑角響應的快慢和振蕩次數，驗證了利用本文方法建立的橫航向動力學模型能夠模擬各種頻率和阻尼比組合情況的荷蘭滾模態特性。

從圖5滾轉角速度建立的快慢可以看出，模型可以模擬不同時間常數的滾轉模態。

圖6的滾轉角不顯示模型能夠模擬收斂、中性和發散的螺旋模態。此外,橫航向動力學模型還可以模擬荷蘭滾模態的滾擺比、航向靜穩定性和上反效應等飛行品質特性。受篇幅所限,仿真驗證結果不一一列出。

圖4 荷蘭滾響應Fig.4 Dutch roll response

圖5 滾轉角速度響應Fig.5 Rate of roll response

圖6 滾轉角響應Fig.6 Roll angle response

3 結束語

本文提出的用于飛行品質評價訓練的動力學建模方法,能夠實現飛行品質特性連續變化的全量飛行模擬,可以為模擬器提供關系匹配的各類數據,與現代飛行模擬技術相適應,能夠滿足試飛員飛行品質評價訓練需求。

飛行品質評價訓練是試飛員培訓的一項重要內容。目前,我國試飛員培訓體系不夠健全,配套設施落后,沒有專門針對試飛員品質評價,尤其是操縱特性評價的訓練系統,非常有必要利用運動平臺和可變人感特性的操縱加載系統研制用于試飛員品質評價訓練的地面飛行模擬系統[5]。本文僅解決了飛行品質評價訓練的動力學建模方法問題,系統研制、培訓大綱和訓練方法等可作為后續研究的重點。

參考文獻：

[1] 方振平,陳萬春,張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:184-204.

[2] 空軍第八研究所,航空工業六三○所.GJB 185-86 有人駕駛飛機(固定翼)飛行品質[S].北京:國防科學技術委員會,1986.

[3] (7201)飛行力學專業組.飛機飛行品質計算手冊[M].北京:中華人民共和國航空工業部,1983:10-16.

[4] 孟捷,徐浩軍,葛志浩.等效系統參數辨識法在飛行品質評價中的應用[J]. 數學的實踐與認識,2008,38(8):79-84.

[5] 董彥非,榮康,高杰.飛機飛行品質規范發展綜述[J].飛行力學,2010,28(5):1-4.