基于SPH的小型飞机水上迫降姿态数值仿真

适航条例中要求飞机必须具备良好的水上迫降性能。早期主要通过试验方法研究飞机的水上迫降性能,但是试验耗资巨大、时间周期长。采用一种新型的数值模拟方法研究飞机水上迫降问题,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法模拟三级波浪,建立小型飞机水上迫降模型。考虑到飞机姿态角和起落架收放状态对迫降性能的影响,建立7种计算工况,模拟得到相应的加速度响应和姿态角变化。以飞机在迫降过程中应该受到较小的加速度响应和姿态角变化为依据,通过对比分析计算结果,最终给出12°姿态角、起落架收起为最优迫降状态的结论,为飞机迫降的入水姿态提供技术支持。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

激光陀螺机械抖动偏频对等效转动矢量姿态计算的影响

研究了激光陀螺机械抖动偏频影响等效转动矢量姿态计算精度的机理。用双子样N次迭代算法推导了载体实际姿态角运动与机械抖动发生谐振时产生的姿态计算误差项,指出其误差作用机理与惯性导航比力方程计算中划摇误差的相似性。针对三轴激光陀螺共一个机械抖动轴和3个单轴激光陀螺构成惯性组合两种情况进行了讨论。根据对静态条件下惯性组合中激光陀螺采样信号的功率谱密度分析,指出当采样频率较低时,会产生与抖动有关的低频周期分量,与低频的载体姿态运动谐振将产生姿态计算误差,应尽量提高采样频率及等效转动矢量计算频率。     

弹射救生数值仿真及不利姿态下救生性能分析

 国内弹射座椅救生性能预测分析主要依赖地面弹射试验。由于国内相关试验设备的缺乏,不利姿态下弹射座椅的救生性能很难通过试验获得,因此国内不利姿态下弹射座椅救生性能的分析研究比较薄弱。采用数值仿真的方法对弹射座椅的救生性能进行预测和分析,针对弹射座椅弹射过程的4个阶段分别建立了数学模型,其中自由飞阶段采用四元数法代替欧拉速率方程,以解决传统的六自由度方程出现的奇异性问题。采用四阶龙格-库塔法对数学模型进行求解,计算结果与地面弹射试验结果吻合较好。在此基础上,对某新型弹射座椅的弹射姿态轨迹进行计算,分析研究了弹射座椅在不利姿态下的救生性能,得到不利姿态下弹射座椅救生性能不佳的主要原因是座椅高速稳定性差以及飞机向下的牵连速度和飞机滚转角的影响,并根据分析结果提出了改善弹射座椅不利姿态下救生性能的基本方法。     

飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验

飞翼飞机易发生刚体短周期模态与机翼低阶弯曲模态耦合所致的体自由度颤振。飞行控制系统对飞机的短周期模态特性影响很大,因此考虑飞行控制系统的闭环体自由度颤振特性值得进一步研究。针对自主设计的颤振模型开发了相应的俯仰姿态保持控制律,综合运用风洞试验和仿真计算开展了相关研究,获得了不同刚体自由边界条件下的开环/闭环体自由度颤振特性,研究了闭环增益对体自由度颤振特性的影响规律,简要分析了影响机理。试验和仿真计算结果共同表明：俯仰姿态保持控制律明显地改变了俯仰模态阻尼的原有走势,闭环后的体自由度颤振特性变化明显。以开环颤振速度为基准,采用较小的比例回路增益K_P或较大的微分回路增益K_D,飞行控制律能增加飞行器俯仰阻尼,提高体自由度颤振速度,反之飞行控制律将导致颤振速度降低。就本文控制律而言,当K_P<0.07或K_D>0.2时俯仰姿态保持控制律能起到抑制体自由度颤振的作用。     

耦合六自由度运动弹性飞机阵风响应数值模拟

耦合飞机刚体六自由度运动,考虑飞机结构气动弹性变形,基于全湍流Navier—Stokes方程流场数值模拟方法．建立了离散阵风作用下弹性飞行器气动载荷与飞行姿态响应的数值模拟技术。其中模态空间中结构动力学方程以及六自由度运动方程分别采用四阶R—K进行时间推进求解,采用RadialBasicFunction（RBF）技术进行气动／结构数据耦合。对应飞机姿态以及弹性变形采用RBF与TFI组合模式的动网格方法进行网格更新;以飞翼布局弹性飞机为数值研究对象,研究了离散阵风作用下飞行器的气动载荷响应以及飞行姿态的变化,对比分析了刚性飞行器与弹性飞行器对离散阵风响应的区别,为进一步系统地分析真实飞机飞行品质提供数值平台。     

外挂物连续投放和非对称投放动载荷计算

 以求解广义动力学方程为基础,分析了飞机在外挂物弹射投放时所引起的动载荷问题,实现了用直接矩阵提取方法（DMAP）计算外挂物连续投放动载荷;用半机模型计算全机外挂物非对称投放动载荷;以及未投放外挂物的多自由度动载荷计算问题。计算结果表明,该方法能有效地解决飞机的各种动载荷问题。     

螺旋桨飞机等高度飞行的航程与航时计算

研究了螺旋桨飞机等高度飞行时航程、航时的计算方法。当燃油消耗率的功率系数为常数时．运用解析法分别给出了求远航、久航性能时最佳巡航状态的计算方法．并给出了飞机采取等姿态或等速度飞行策略下的航程与航时计算方法。计算结果表明：为得到远航性能要求飞机采取变姿态、变速度飞行策略；为得到久航性能要求飞机采取等姿态、变速度的飞行策略。     

飞机姿态仪中的人机工效

飞机姿态仪具有运动地平线和运动飞机等不同格式,不同格式的姿态仪对飞行员的仪表识别及飞行安全产生不同的影响作用。本文概述了不同格式姿态仪的人机工效问题,总结了国内外对姿态仪识别绩效的研究进展,分析了影响姿态仪识别的因素。在此基础上,归纳出运动飞机格式具备识别优势的4点工效学机制,即显示画面原则、三维空间神经心理模型、刺激-反应相容性和反应-效应相容性。最后,针对近年来出现的航空新技术,提出了未来姿态仪人机工效研究需要解决和关注的问题。     

基于模糊自适应卡尔曼滤波的大气数据辅助姿态算法

 针对中低精度航姿参考系统(AHRS)在机体机动时不能利用加速度计修正水平姿态,以及噪声统计特性随实际工作情况变化的问题,提出了一种基于模糊自适应卡尔曼滤波的大气数据辅助姿态解算的方法。首先,考虑大气数据系统和航姿参考系统的优势,利用真空速、攻角和侧滑角等大气数据信息对非重力加速度进行补偿,以辅助水平姿态解算;其次,基于模糊自适应卡尔曼滤波原理,对观测模型的参数进行估计和修正,以实现水平姿态的最优估计;最后,选取某型飞机的试飞数据进行仿真验证。仿真结果表明,该方法可使飞机的水平姿态估计精度达到1.3°,且在偏差较大时有明显的纠偏作用。因此,相对于无机动加速度补偿和常规卡尔曼滤波来说,该方法能够更好地进行姿态估计,具有一定的实用价值。     

用杂交应力元及等参元计算应力强度因子

 本文介绍一种用奇异性杂交应力元及等参元计算平面裂纹的应力强度因子和J积分的方法。实际计算表明,此种方法的优点是精度高,计算时间短,便于实际应用。文中给出三个算例。各例分别采用216～256个自由度。计算结果同解析解及其他奇异元的解进行了比较。各例算得的应力强度因子值,均同解析解相差仅1～2％。每例中由4～6条路径求得的J积分值,其分散度均在±O.7％以内。 计算在TQ-16机上进行,程序编译约6～7分钟,每例的计算时间约6～8分钟。     

求解捷联式方向余弦矩阵的一种新方法

本文提出求解捷联式方向余弦矩阵的一种新方法——三角函数法。建立了三角函数的微分方程;讨论了求解位置矩阵、姿态矩阵正交化等有关问题;对三角函数法的计算误差进行了分析。通过大量的数学模拟,对四元数法、方向余弦法及三角函数法的计算精度作了比较。结果表明,三角函数法运算量较小,精度高,是求解方向余弦矩阵的可行方法。     

空间飞行器的姿态识别

研究不变矢量在固联和轨道坐标系下的表达,得出了一个坐标系在另一个坐标系中旋转的变换矩阵。并且通过2个不变矢量在不同坐标系中的表达,识别了飞行器在空间绕质心旋转运动的3个欧拉旋转角。此方法已应用于工程实际。     

四元数的核心矩阵及其在航天器姿态控制中的应用

基于旋转群代数,以航天器姿态控制研究为背景,提出了四元数的核心矩阵的概念。以此为中心,首先导出了核心矩阵本身、逆、行列式及其导数的若干关系式,然后应用核心矩阵得到了四元数姿态误差及其运动学关系的非常简洁的表示形式,最后利用核心矩阵证明了用缩减四元数为广义坐标和以常规 Euler角为广义坐标对描述航天器姿态动力学的等效性。研究结果可应用于航天器的快速、大角度和三维姿态机动控制     

一种星敏感器-陀螺组合定姿的实时在轨标定方法

研究了一种星敏感器一陀螺组合定姿方式中的姿态敏感器误差的实时在轨标定方法。首先,选择直观的欧拉角作为姿态描述参数,根据星敏感器和陀螺的测量原理建立星敏感器一陀螺在轨标定的测量方程和状态方程,并以此建立数学模型。其次,采用简单高效的EKF（ExtendedKalmanFilter,扩展卡尔曼滤波）作为估值算法,进行了在轨标定数值仿真。对于航天器姿态定向中出现的姿态角和星敏感器安装角之间的耦合问题,通过在特定姿态通道上施加简单姿态机动实现了解耦。数值结果表明,该实时在轨标定方法,尤其是所提出的姿态角和星敏感器安装角解耦策略,可以实现对航天器姿态的实时精确估计以及对星敏感器安装误差、陀螺常值漂移和相关漂移等误差的实时在轨标定。该方法可用于航天器姿态测量设备的实时在轨标定和航天器姿态的高精度实时确定。     

A Nonlinear Tracker Using Attitude Measurements

The subject of this paper involves tracking the present position of a maneuvering aircraft as well as predicting its future position. A tracking filter is developed that uses aircraft attitude angles (yaw, pitch, roll) in addition to the usual radar measurements. Computer simulation of tracker performance when tracking violently maneuvering aircraft indicates that a dramatic improvement is obtained by using attitude information. The approach taken is to develop a 12-or 15-state extended Kalman filter that models both translational and rotational degrees of freedom. By measuring and estimating attitude it is possible to approximately determine the magnitude and direction of the force system acting on the vehicle and therefore determine vehicle linear acceleration. Knowledge of acceleration is then used to improve the estimate of present and future position of the vehicle being tracked. Simulation of a T-38 aircraft performing a 5 g turn indicates that the new tracker produces maximum trajectory prediction errors that are 36 percent of the errors experienced by more conventional trackers.     

亚音速民机垂尾初步设计

横航向飞行品质要求是飞机设计时,选择垂尾和机翼上反角的主要依据.在对主要的横航向飞行品质要求进行分析整理的基础上,本文提出了一种“界限线”法,可供飞机初步设计时,选择合适的垂尾和机翼上反角之用.为说明这种方法的可行性和可靠性,以Y—7型飞机为算例进行了验证性计算。     

一种基于视觉的微型飞行器姿态检测算法

探讨了基于视觉的微型飞行器的飞行状态检测方法，利用机载摄像头获得图像。根据某种准则识别出地平线，进而变换得到飞机的姿态角。文中给出了地平线判别准则及相应的算法和姿态角变换公式。最后，给出了一个实际算例及处理结果。     

A nonlinear helicopter tracker using attitude measurements

Extended-Kalman-filter-based trackers are discussed for maneuvering helicopters that use body angle and rotor tip-path-plane angle measurements in addition to the usual radar position measurements. Improvements were found in tracker performance when the body rotation and rotor tip-path-plane degrees of freedom were modeled within the extended Kalman filter. Tracker performance was further improved when measurements of body angles and rotor tip-path-plane angles were made available to the tracker     

基于FDTD的散射体宽角度宽频带RCS快速计算方法研究

将FDTD（Finite Difference Time Domain）法与双三次样条函数插值逼近、傅立叶变换结合,快速计算了三维散射体的宽角度、宽频带RCS（Radar Cross Section）。在双入射角度和全范围内各选定若干个插值节点,然后用FDTD法计算得到外推面上各节点的切向电磁场值,进而插值得到电磁场值随入射角度变化的双三次样条函数;之后用该样条函数计算出全入射角度范围内外推面上两个入射角范围内的切向电磁场值;最后通过近远场变换得到宽角度RCS。在计算过程中同时将激励源设置为脉冲源,通过对外推面上的电磁场值进行傅立叶变换,得到RCS频率响应。计算结果表明,只用少数插值节点就能够得到非常逼近FDTD法精确计算结果的散射体宽角度宽频带RCS响应,具有很高的计算效率。