复杂结冰环境下飞机鲁棒飞行安全包线分析

结冰是威胁飞行安全的重要环境因素,研究复杂结冰环境下飞机的飞行安全包线对于飞行安全边界保护,确保飞机飞行安全具有重要意义。以RCAM为研究对象,利用时间尺度分离原则将飞机解耦成两个子系统,建立了考虑飞机横向运动的纵向运动模型和复杂结冰环境下鲁棒气动导数模型。基于可达集最优控制理论,以反向可达集作为飞机复杂结冰环境下的飞行安全包线,利用可达性分析研究结冰及横向滚转运动对飞行安全包线的影响,在此基础上,进一步分析考虑不同结冰程度下结冰位置、冰型及分布等不确定性结冰情况时飞机的鲁棒飞行安全包线。仿真结果表明,随着结冰程度增加,飞行安全包线不断收缩,当考虑结冰不确定性因素时,轻度结冰条件下的鲁棒飞行安全包线较重度结冰条件下收缩更为严重。因此,即使飞机只是遭遇轻度结冰,但当存在不确定性因素时,飞行风险仍然较大,飞行员应该保持警惕。研究结果可为飞机在复杂结冰环境下的边界保护提供支撑和参考。     

基于神经网络自适应动态逆的结冰飞机飞行安全边界保护方法

考虑到飞机带冰飞行的安全问题，对结冰飞机进行安全边界保护成为一种有效的解决手段。基于神经网络自适应动态逆跟踪性能好、鲁棒性强的优点，提出了以安全关键飞行参数限制值作为神经网络自适应动态逆的输入，获取可用舵面偏转角的边界保护方法。建立了飞机本体动力学模型，采用高精度的数值模拟方法获得结冰数据库。设计了神经网络自适应动态逆控制律，通过在动态逆环节引入单隐层神经网络，对不确定性逆误差进行自适应补偿，增强了控制系统的鲁棒性。以俯仰姿态保持模式为例设计了结冰飞行闭环安全边界保护系统。以结冰飞机最小平飞速度的估算值作为飞机最低飞行速度，设计自动油门控制系统，实现对飞行速度的保护。通过仿真验证了设计的控制律具有较强的鲁棒性。对结冰严重程度线性增加情形下飞机状态参数的动态响应进行了分析。仿真结果表明，所设计的结冰边界保护系统，能够实现飞机在容冰飞行过程中对安全关键参数如迎角、飞行速度的实时保护。     

基于动力学边界的结冰飞机安全预警方法

结冰严重破坏飞机的动力学特性，使飞机的非线性和动力学耦合特性表现明显，导致传统的安全预警方法无法准确有效地评估飞行存在的潜在风险，易引发飞行事故。为解决此问题，提出了一种基于动力学边界的新型安全预警方法，该方法可综合考虑飞机的动力学耦合特性，可为结冰飞机的实时安全预警系统的构建提供有力的理论支撑。首先，基于微分流形理论确定结冰飞机精确的动力学边界，并详细分析了飞机结冰对动力学边界的影响；其次，利用动力学边界相对距离对飞行风险进行量化，结合动力学边界的特性确定了安全预警的方法；最后，搭建了飞行仿真训练系统，并以着陆为训练科目，通过与传统迎角安全预警方法对比，得到基于动力学边界安全预警方法的优越性。研究结果表明，相比于传统迎角限制方法，动力学边界安全预警方法可提前发现飞行中存在的潜在风险，且基于此方法的飞行训练系统可对驾驶员进行结冰安全操纵训练可提高结冰飞机的飞行安全。     

Envelope protection for aircraft encountering upset condition based on dynamic envelope enlargement

Upset condition encountered by an aircraft in flight could pose great threat to flight safety, which is of chief importance in civil aviation. The causal factors have the nonlinear and multiple characteristics, and as a result the conventional envelope protection system cannot successfully do with the condition. So dynamic envelope based on differential manifold theory, which can take more coupling factors into account, is proposed as a basis to design a novel envelope protection system. Then the relationship between the dynamic envelope and the control coefficient or pilot command is obtained, and the result shows that the dynamic envelope can be enlarged with the change of control coefficient. Furthermore, quantification of flight security is realized via defining relative distance between flight state and dynamic envelope, which can detect whether there is a risk for an aircraft in flight. Finally, an envelope protection system based on dynamic envelope enlargement is proposed on the basis. NASA’s Generic Transport Model encountering hazard gust wind in climbing phase is taken as an example to verify the system’s feasibility. The result shows that the system can give a better operation encountering upset condition and to a certain extent reduce the number of accidents or incidents.     

结冰飞机着陆阶段飞行安全包线确定及操纵应对策略

结冰会导致飞行安全包线收缩、严重威胁飞行安全,研究结冰后安全包线变化对于操纵应对策略设计及提高飞行安全具有重要意义。以美国国家航空航天局（NASA）的项目飞机GTM（Generic Transport Model）为研究对象,通过对飞机的气动参数进行多项式拟合,建立了结冰飞机纵向通道的动力学模型。为了得到能随结冰程度变化的安全包线,将可达性分析理论引入到对结冰飞机着陆过程的安全性分析。提出将正向可达集与反向可达集的交集作为飞行安全包线,其中可达集的确定是基于水平集方法求解哈密尔顿-雅克比方程的最优解。最后针对不同程度的结冰条件进行了操纵时域验证,并提出了相应的操纵控制策略。研究结果表明,轻度结冰对安全包线影响较小,整个着陆过程的飞行状态始终能在最优控制指导下保持在安全包线以内;但对于重度结冰,飞行安全包线收缩严重,常规操纵已经很难使飞机达到着陆要求,需要进行飞行状态改出处理。研究结果为指导飞行操纵及实时包线保护打下基础。     

Y7-200A飞机自然结冰飞行试验

介绍了Ｙ７－２００Ａ飞机防冰除冰系统,自然结冰飞行试验所需气象专用设备和机场气象条件的选择以及自然结冰的飞行安全。同时还介绍了飞行试验的内容、试验方法及试验结果,并对试验结果进行了分析,试飞结果表明,带自然积冰飞机性能比带模拟冰型的好,自然结冰试验与模拟冰型试验之间的飞机操纵特性没有不可接受的差异,飞机飞行品质良好。可供运输类飞机自然结冰飞行试验时参考。     

结冰对飞机飞行包线影响分析及控制

为解决飞机在结冰后因飞行包线范围缩小而危及飞行安全的问题,针对飞机纵向三自由度非线性模型分析了翼面结冰对飞行包线的影响。在二级折线软限制式迎角限制器中引入结冰信息,综合考虑各个结冰传感器信号,通过比较采用对迎角、襟翼偏度限制最大的结冰信号来设定限制器阀值,在线/实时地改变可用飞行包线范围,使结冰飞机在缩小的飞行包线范围内能够安全飞行。仿真计算表明,该方法实用有效,可供飞机结冰问题研究人员参考。     

基于相平面法的结冰飞机纵向非线性稳定域分析

结冰是威胁飞机飞行安全的重要因素之一,研究结冰后飞机稳定性及稳定域范围对飞机操纵安全和飞行安全极其重要。由于结冰后大飞机失速迎角提前,仅仅研究小迎角线性阶段的飞行稳定性显然不能满足要求。首先根据飞机迎角和升力曲线非线性关系建立了结冰条件下大迎角阶段飞机纵向非线性系统模型,然后通过相平面法刻画了迎角和俯仰角速度构成的不同飞行状态下飞机的纵向运动的稳定域,并探讨了迎角和俯仰角速度对纵向稳定性的影响规律,最后针对稳定域内外的不同初始状态,进行了零输入响应时域仿真,验证了相平面法确定的稳定域的有效性和准确性。研究结果可为飞机结冰后的稳定边界确定和边界保护提供一定的参考。     

Aircraft nonlinear stability analysis and multidimensional stability region estimation under icing conditions

Icing is one of the crucial factors that could pose great threat to flight safety,and thus research on stability and stability region of aircraft safety under icing conditions is significant for control and flight.Nonlinear dynamical equations and models of aerodynamic coefficients of an air craft are set up in this paper to study the stability and stability region of the aircraft under an icing condition.Firstly,the equilibrium points of the iced aircraft system are calculated and analyzed based on the theory of differential equation stability.Secondly,according to the correlation theory about equilibrium points and the stability region,this paper estimates the multidimensional stability region of the aircraft,based on which the stability regions before and after icing are compared.Finally,the results are confirmed by the time history analysis.The results can give a reference for stability analysis and envelope protection of the nonlinear system of an iced aircraft.     

俯仰姿态保持模式下飞机结冰边界保护方法

在研究飞机结冰机翼和平尾失速机理的基础上,以飞机迎角作为关键参数,飞机俯仰指令作为指令参数,提出一种基于飞机自驾仪的结冰后边界保护方法.通过引入铰链力矩检测模块,提前告警飞机失速,为边界保护提供了裕度.建立飞机纵向动力学方程,针对俯仰姿态保持（PAH）模式下机翼失速进行了仿真计算.结果表明:结冰条件下,通过铰链力矩的检测,飞机能在失速迎角为2°之前,进入边界保护模式,增加飞行安全的裕度.通过控制指令的限制,自动驾驶模式下飞机迎角能保持在失速迎角之内.      

飞机失速自动改出装置的设计

采用机械操纵系统的飞机相对电传控制飞机不具备飞行包线保护功能,驾驶员可能在误操作情况下使飞机进入失速状态,特别是新机研制试飞和失速飞行试验。失速自动改出装置通过控制反驱作动器带动操纵系统,抑制驾驶员将飞机操作进入失速,并在飞机进入失速后帮助驾驶员改出失速。模糊控制理论具备常规控制理论所不具备的很多优势,可以使控制律更简单、直观和有效,用于失速改出控制将使系统更加简单易行。     

Quantitative assessment and visualization of flight risk induced by coupled multi-factor under icing conditions

Aircraft icing has been proven to be one of the most serious threats to flight safety. During the analysis of flight risk under icing conditions, quantitative assessment and visualization of flight risk are quite essential as they provide safe manipulation strategies in intricate conditions. However, they are rarely studied. Since the icing flight accidents are the result of the coupling of multiple unfavorable factors, in present study, we have proposed a method to quantitatively assess flight risk induced by multi-factor coupling under icing conditions by Monte-Carlo simulation and multivariate extreme value theory. The results demonstrate that the flight risk probability increases with the rise of unfavorable factors. Besides, a flight risk visualization method named flight safety window has been presented to build the flight risk distribution cloud maps in different complex conditions. The cloud maps show that the icing would give rise to atrophy of the safety scope, and the consequence would be even more severe when coupled with other more unfavorable factors. The proposed methods in this study would be useful in flight risk analysis under icing conditions and can enhance the pilot's situational awareness in selecting correct strategies within the safety zone to avoid unsafe manipulation.     

结冰对飞机飞行安全的影响机理与防护研究

飞机结冰导致机毁人亡的飞行事故频发,严重威胁了飞行安全.分析了飞机结冰产生的机理,明确了飞机结冰问题研究的重点,阐述了飞机结冰的条件、过程和种类.在此基础上,分析了影响飞机结冰的主要因素和参数,深入剖析了机体不同部位结冰对飞机气动性能、稳定性和操纵性能的危害机理,并总结了飞机防、除冰的相关技术,展望了防、除冰技术的发展趋势,讨论了飞机结冰保护的研究方向.     

基于可达集方法的结冰飞机着陆阶段安全风险评估

飞机在着陆过程中极易发生结冰的现象,结冰对飞行安全造成的危害极为严重。结冰导致飞机发生危险的原因是由于机翼或尾翼被冰层覆盖后空气动力学行为发生改变,飞机受力异常难以控制。为分析结冰后飞机的稳定性以保证飞行安全,以飞机纵向动力学系统为分析对象,将飞机结冰后状态的描述以可达集的形式进行,直观地判断飞机状态是否可控,以此确定飞机是否处于安全状态。以求解所得的可达集为基础,利用极值定理分析结冰飞机的风险概率模型,由模型计算不同情况下飞机的风险概率,最终得到飞机着陆阶段的安全风险评估结果,并由评估结果指导驾驶员操纵,从而保证飞机的安全飞行。     

结冰对飞机动态响应特性的影响

结冰条件下运输类飞机的适航审定是确保飞行安全的重要保障.建立了飞机本体非线性动力学模型和不同状态的结冰模型,计算了结冰前后飞机对驾驶员控制输入指令的响应特性,并探讨了结冰对飞机爬升性能的影响.仿真结果表明,结冰会导致舵面操纵效率下降,从而引起动态响应特性的恶化,而且飞机出现不对称结冰时将严重偏离正常状态、危及飞行安全,...     

飞行力学和飞行控制试飞技术

为了适应高增益,全权限数字电传操纵系统飞行试验的需要,利用已研制成功的多台地面飞行模拟器和ＢＷ－１纵向,ＩＦＳＴＡ三自由度空中飞行模拟试验机,模型自由飞研究以及具有现代先进水平的机载数据采集记录和地面实时监控系统等设备和技术手段,进行了电传飞机的飞行品质和飞控稳定性等问题的研究,包括试飞输入设计,电传飞机飞行品质,电传飞控系统稳定裕度等。最后,提出了对下一代飞机飞行力学和飞行控制方面需要研究的试飞     

民机防冰系统自然结冰试飞技术研究

结合某型民机自然结冰条件下防冰系统的试飞,对试飞所需的测试改装工作进行了总结,并对试飞前需进行的各种安全性评估进行了总结说明,明确了试飞中需考虑的各种构型情况,提出一套循序渐进的自然结冰试飞方法。同时提出了试飞中结冰气象参数的可接受性判据,最后针对自然结冰试飞中结冰气象参数的处理提出了分段等效处理的方法。     

操纵面故障对飞行包线的影响研究

进行飞机操纵机构故障时飞行包线估计对提高飞行安全具有重要意义。针对飞机操纵面故障特点,提出一种在线飞行包线估计方法。首先根据操纵面对飞行动力学参数的影响建立故障参数模型,然后应用基于遗忘因子的最小二乘参数估计方法进行气动参数的在线估计,最后基于参数估计结果进行包线的精确估算和分析,计算结果可为驾驶员和包线保护控制提供参考。仿真分析表明,该方法能精确估计飞行包线范围。     

民用飞机结冰研究相关技术及进展

飞机结冰是影响飞行安全的重要因素之一,结冰研究对分析民机安全性、适航性等具有重要意义。简述了飞机结冰形成机理以及对飞行特性的影响,描述了按结冰部件、结冰物理过程和几何形状的结冰分类形式,介绍了结冰研究的三种主要方法,分析了与结冰相关的应用研究,包括防/除冰方法和适航验证技术,最后对飞机结冰研究进行了讨论和展望。