用于飞行品质评价训练的动力学建模方法

刘超, 刘智汉, 党维

(1.中国飞行试验研究院 中航工业飞行仿真航空科技重点实验室, 陕西 西安 710089;2.中国商用飞机有限责任公司 民用飞机模拟飞行国家重点实验室, 上海 201203)

0 引言

常用的试飞员品质评价训练的动力学建模方法有两种:一是建立等效系统模型[1];二是通过状态反馈或模型跟随的控制律调参改变飞机的飞行品质特性,该方法主要应用于变稳飞机。方法一参数设置方便、模型简单,适用于早期计算机非常落后时期的品质特性模拟。其缺点是每次只能模拟单个运动参数,多个模拟参数的关系匹配比较困难,不能适应现代模拟技术条件下飞行员对模拟环境的需求。方法二通过控制律调参改变飞机的飞行品质特性,理论上合理、可行,但在实际应用中调参非常困难,无法准确获得需要模拟的飞行品质特性,而且受平台飞机能力的限制,能够模拟的飞行品质特性范围和种类有限。

本文首先根据飞机的动力学原理,利用气动、飞行状态和质量特性等参数建立不同飞行品质特性的数学描述(模型或算法),并允许适当地简化;然后,按照有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质标准[2],根据试飞员品质评价训练的需要预设不同类型、不同等级的飞行品质特性,利用上述数学模型反推所需的气动参数;最后,通过常规的飞机动力学建模和仿真方法实现连续变化飞行品质特性的全量飞行模拟,为模拟器提供所需关系匹配的各类提示信息,以满足试飞员和试飞工程师飞行品质评价训练的需求。

1 变飞行品质特性的动力学建模

1.1 纵向动力学建模

本文主要给出了模拟纵向静稳定性、机动稳定性和短周期模态的动力学建模方法。

(1)

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图1 重心对飞机纵向稳定性的影响Fig.1 Influence of gravity on longitudinal stability of the aircraft

(2)短周期模态[1,3]。根据飞行动力学理论,短周期频率ωsp和阻尼比ζsp为:

(3)

(4)

1.2 横航向动力学建模

飞机横航向飞行品质内容较多,本文主要给出了模拟航向静(风标)稳定性、横向静稳定性(上反角效应)、有利/不利偏航、荷兰滚模态、滚转模态和螺旋模态的横航向动力学建模方法。

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(9)

(5)荷兰滚模态[1,3]的频率ωnd和阻尼比ζd为:

(10)

其中:

(6)螺旋模态[1]的特征方程为:

(12)

2 仿真验证及结果分析

2.1 纵向动力学模型的仿真验证

固定纵向其他气动参数,通过调整Cmα模拟重心在前、中、后、hn、hn与hm之间、hm、hm之后7个位置的静稳定性和机动稳定性。图2给出了飞机重心分别在正常位置、hn和hm时,俯仰角速度和法向过载的方波响应。

图2 重心位置对静稳定性和机动稳定性的影响Fig.2 Influence of the CG position on static stability and dynamic stability

由图2可以看出,正常重心和重心在hn时,飞机响应分别为二阶和一阶特性;重心在hm时,过载响应基本呈中性。仿真结果表明，纵向动力学模型能够模拟飞机在不同重心位置时的稳定特性。

本文利用频域等效系统拟配方法[4],对预设短周期频率和阻尼比的模型进行等效系统拟配。拟配结果如表1所示,表明利用本文建模方法得到的飞机动力学模型的短周期频率和阻尼比与预设值完全吻合。

表1 等效系统拟配结果Table 1 Matching results of the equivalent system

图3为短周期模态分别设置相同频率、不同阻尼和相同阻尼比、不同频率时模型的阶跃响应。从图中迎角响应的快慢和振荡次数不难看出,利用本文方法所建的纵向动力学模型能够模拟各种频率和阻尼比组合情况的短周期模态特性。

图3 短周期响应Fig.3 Short period oscillation response

2.2 横航向动力学模型的仿真验证

横航向动力学模型需要验证的内容较多,限于篇幅仅给出荷兰滚模态、滚转模态和螺旋模态的仿真验证结果。仿真结果如图4～图6所示。

图4中侧滑角响应的快慢和振荡次数，验证了利用本文方法建立的横航向动力学模型能够模拟各种频率和阻尼比组合情况的荷兰滚模态特性。

从图5滚转角速度建立的快慢可以看出，模型可以模拟不同时间常数的滚转模态。

图6的滚转角不显示模型能够模拟收敛、中性和发散的螺旋模态。此外,横航向动力学模型还可以模拟荷兰滚模态的滚摆比、航向静稳定性和上反效应等飞行品质特性。受篇幅所限,仿真验证结果不一一列出。

图4 荷兰滚响应Fig.4 Dutch roll response

图5 滚转角速度响应Fig.5 Rate of roll response

图6 滚转角响应Fig.6 Roll angle response

3 结束语

本文提出的用于飞行品质评价训练的动力学建模方法,能够实现飞行品质特性连续变化的全量飞行模拟,可以为模拟器提供关系匹配的各类数据,与现代飞行模拟技术相适应,能够满足试飞员飞行品质评价训练需求。

飞行品质评价训练是试飞员培训的一项重要内容。目前,我国试飞员培训体系不够健全,配套设施落后,没有专门针对试飞员品质评价,尤其是操纵特性评价的训练系统,非常有必要利用运动平台和可变人感特性的操纵加载系统研制用于试飞员品质评价训练的地面飞行模拟系统[5]。本文仅解决了飞行品质评价训练的动力学建模方法问题,系统研制、培训大纲和训练方法等可作为后续研究的重点。

参考文献：

[1] 方振平,陈万春,张曙光.航空飞行器飞行动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:184-204.

[2] 空军第八研究所,航空工业六三○所.GJB 185-86 有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质[S].北京:国防科学技术委员会,1986.

[3] (7201)飞行力学专业组.飞机飞行品质计算手册[M].北京:中华人民共和国航空工业部,1983:10-16.

[4] 孟捷,徐浩军,葛志浩.等效系统参数辨识法在飞行品质评价中的应用[J]. 数学的实践与认识,2008,38(8):79-84.

[5] 董彦非,荣康,高杰.飞机飞行品质规范发展综述[J].飞行力学,2010,28(5):1-4.