空中最小操纵速度的人机闭环数学仿真计算

空中最小操纵速度VMC的确定是民机适航符合性验证的一项重要内容,其取值大小是飞机方向舵与发动机布局设计的重要依据之一.基于对飞机空中最小操纵速度的适航符合性验证试飞过程的物理认识,提出了初步确定VMC的数学仿真计算新方法.根据VMC验证试飞过程中驾驶员的操纵行为特点,建立了驾驶员的数学模型,进而构建了相应试飞任务的人机闭环飞行数学仿真模型.通过对飞机的VMC验证试飞过程进行准确的数学仿真模拟,可得到不同验证条件下的空中最小操纵速度.该方法对于指导飞机的方案设计与适航符合性验证试飞等都具有一定的理论指导意义与实际的工程应用价值.     

民机起飞爬升梯度适航符合性数学仿真评估

民机起飞过程中沿起飞航迹各点的爬升梯度反映了飞机超越地面障碍达到安全飞行高度的能力。针对适航条款对于起飞程序和爬升性能的要求,提出了一种基于人机闭环数学仿真计算的单发停车起飞爬升梯度适航符合性评估方法。建立了飞机本体动力学模型、起落架运动模型和驾驶员操纵模型,提出了适航符合性评估指标,并设计了飞机单发停车起飞的仿真任务和驾驶员操纵程序。通过闭环数字飞行仿真完成了不同验证状态点的爬升梯度评估。该方法可应用于民机的概念方案设计,计算结果可为飞机起飞重量的确定与单发失效爬升性能的试飞验证等提供理论参考。      

基于数字虚拟飞行的民机复飞爬升梯度评估

飞机的爬升梯度反映了其越过地面障碍达到安全高度的能力,为保障民机复飞时的飞行安全,适航条款规定复飞爬升梯度应满足一定的数值要求。根据适航条款对民机复飞程序和复飞爬升梯度的规定,提出了一种基于数字虚拟飞行的复飞爬升梯度适航符合性评估方法。基于适航条款规定和驾驶员操纵特点,建立了复飞任务的数字化模型和驾驶员操纵模型,进而以中国某型涡喷支线客机为对象建立飞行动力学模型,构成了可进行复飞爬升任务仿真的数字虚拟飞行仿真系统。通过仿真计算完成了对着陆爬升和进场爬升的爬升梯度评估,并与真实试飞结果对比,评估相对误差在10%以内,验证了本文方法的适用性和准确性。本文方法可应用于民机的概念方案设计,为保证飞机复飞爬升性能的适航符合性和最大着陆重量的确定等提供支持。     

民机横航向静稳定性适航符合性数学仿真评估

针对适航标准对民机横航向静稳定性的要求,提出了一种基于人机闭环数学仿真计算的适航符合性评估方法。根据适航条款的要求提出了量化评估指标,建立了飞机系统模型和驾驶员操纵模型,以实现定常直线侧滑飞行等的特定飞行任务的人机闭环数学仿真,并依据数学仿真结果和评估指标对飞机的横航向静稳定性做出评估。运用此方法完成了某型民机设计方案的适航符合性评估,并较准确地确定了飞机横航向2个静稳定导数的合理取值范围。该方法可应用于民机的概念方案设计,计算结果可为飞行试验提供理论参考。     

末端制导飞行轨迹的仿真与试飞

提出了战斗机完成制导装置末端制导阶段飞行轨迹的仿真和试飞方法.末端制导阶段的飞行轨迹要求进入段尽可能减小高度损失,并在俯冲段满足精确的轨迹跟踪.采用6自由度全量非线性方程,考虑纵向和横航向运动的相互耦合关系,通过对飞机的高速度、大俯冲角、大落差飞行全过程进行仿真研究,分析了3种利用滚转操纵进入俯冲的情况,获得了满足高精度飞行轨迹的操纵方案,即在进入段,先操纵副翼使滚转角接近180°,拉杆使俯冲角满足轨迹要求后,再反向操纵副翼使飞机正飞进入俯冲.通过飞行试验验证了方案的合理性和有效性.研究表明:该方法在保证飞行安全的前提下,提高了飞行轨迹精度和试飞效率.     

基于数字虚拟飞行的民机侧风着陆地面航向操稳特性评估

基于民机的适航要求,建立了一种基于数字虚拟飞行的侧风着陆地面航向操稳特性评估方法。以着陆滑跑过程中最大机体倾斜角和最大航迹偏移量作为评估的关键参数,依据人机闭环数字飞行仿真计算结果,评估了某大型水陆两栖飞机侧风着陆任务的地面航向操稳特性适航符合性。对于20 kts侧风分量,算例飞机着陆滑跑的机身最大机体倾斜角为3.44°,最大侧向航迹偏差为2.51 m,能够满足适航要求。进一步研究表明,侧风分量大小、道面污染情况均影响侧风着陆的安全性。在干道面上当侧风分量超过30 kts时即会出现地面打转现象;道面污染增加滑跑减速所消耗的跑道长度,同时不利于驾驶员对滑行航向的控制。所提评估方法可应用于民机的概念和方案设计阶段,并为后续开展飞行试验验证等提供理论参考。      

一种预测驾驶员操纵行为的建模方法

在飞机设计中,应用驾驶员数学模型预测飞机飞行品质是避免人机系统出现不良耦合的重要途径之一.驾驶员神经网络模型是利用飞行模拟实验数据建立的驾驶员模型.基于该模型,针对纵向单通道俯仰跟踪任务,详细讨论了具有不同增益、不同短周期振荡频率飞机构型的驾驶员操纵行为变化规律.研究结果表明:对于特性相似的飞机构型,其驾驶员操纵特性也相似.因此,提出了一种利用相似构型的驾驶员操纵行为特性建立驾驶员预测模型的方法.通过对预测模型进行精度评价,可以证明采用本方法能够获得比较满意的驾驶员操纵行为特性预测结果.     

基于SMO—SVR的飞机舵面损伤故障趋势预测

飞机舵面出现损伤时,为了更准确的预测状态参量变化情况,提出了一种改进的序贯最小优化支持向量回归(SMO-SVR, Sequential Minimal Optimization Support Vector Regression)预测方法.采用改进C-C平均方法对多元时间序列进行相空间重构,以确定最优嵌入维数m和延迟时间τ_d.根据所求m和τ_d建立加权SVR预测模型,并调整了SMO算法的停机准则.利用区间自适应粒子群算法(IAPSO, Interval Adaptive Particle Swarm Optimization)优化SVR参数,以提高参数优化速度.为了验证改进算法的有效性,针对飞机方向舵损伤故障趋势进行了预测和分析,并与径向基函数神经网络(RBFNN, Radial Basis Function Neural Network)方法进行了对比,仿真结果表明SMO-SVR预测模型具有很好的预测能力.     

某型固定翼飞机协调转弯鲁棒控制律设计

以某型固定翼飞机为例,针对协调转弯时侧滑过大的现象,采用了鲁棒H_∞状态反馈控制与常规PID(Proportion Integration Differentiation)相结合的控制方法设计控制律结构.基于固定翼飞机线性化模型,研究了H_∞状态反馈在横侧向控制律设计中的应用,并分析了滚转角和飞机速度对转弯半径的影响.仿真结果表明所设计的控制律可行有效,同时验证了对影响转弯半径因素理论分析的正确性.      

飞机过度/不足转向地面转弯操纵特性分析

为分析飞机着陆滑跑过程中的过度/不足转向特性,提高前轮转弯系统的操纵性能,提出了一种具有时变参数的飞机转弯系统的低阶等价模型,并结合系统稳定性的分析与飞行数据,可知在飞机着陆滑跑过程中的某个速度范围内,由于系统偏航角速度命令带宽衰减至零值附近,飞机的过度/不足转向特性曲线十分接近临界稳定速度边界,引起操纵特性严重恶化,由此提出了一种采用偏航角速度的局部负反馈来调节系统带宽的自校正增稳设计.分析与仿真结果说明:该模型能够解决使用高阶模型对飞机该项性能分析复杂的问题,可以作为高阶复杂模型分析的一种补充,且提出的增稳方法能使系统偏航角速度命令带宽保持在期望范围内,改善脚蹬操纵的敏感性,提高系统的操纵性能.      

基于QAR数据的碳当量值适航符合性验证方法

为评估飞机碳排放水平并验证适航性，对国际民用航空组织最新的碳排放认证程序进行了研究。以比航程（SAR）和基准几何因子（RGF）组成的综合指标碳当量值作为评估适航性的度量，根据飞机最大起飞重量（MTOM）值选取试飞测量点，并确定对应的飞机碳当量值限制线。提出了一种基于快速存储记录器（QAR）数据的飞机碳当量水平快速评估方法，利用新服役飞机的QAR数据，使用多参数支持向量机回归（SVR）方法分别建立燃油消耗率和飞行速度相对于推力的修正关系，通过飞机总重换算求解3个飞行测量点条件下的SAR值，并计算碳当量值。使用一架B777-200新飞机的QAR数据进行实例分析，计算结果显示，该机型碳当量值为1.598 7，超出限制线20.5%。提出的基于QAR数据的碳当量值计算方法可以用于飞机碳排放水平的快速评估。      

飞机驾驶舱显示界面脑力负荷判别预测生理模型

针对飞机驾驶舱显示界面脑力负荷的客观判别预测问题,综合采用事件相关电位(ERP)、心电图(ECG)和眼电图(EOG)3类生理测量技术,结合主观测评法和绩效测评法,在同一飞行实验任务中开展脑力负荷的实验测量与数学建模研究。实验结果表明:随着脑力负荷的增加,ERP测量技术中的失匹配负波(MMN)成分的峰值幅度(在Fz电极处)显著增加,P3a成分的峰值(在Fz电极处)显著降低;ECG测量技术中的心率变异性指标全部窦性心搏RR间期(简称RR间期)的标准差(SDNN)的数值显著降低;EOG测量技术中的眨眼次数显著降低。在此基础上,基于Bayes判别方法构建了脑力负荷判别预测生理综合评估模型,并将生理综合评估模型判别结果与NASA任务负荷指数(NASA_TLX)量表判别结果进行了比较,生理综合评估模型判别结果略高于NASA_TLX判别结果。该模型为飞机驾驶舱显示界面脑力负荷状态的客观、实时判定和预测提供了一种新的方法,同时也为中国正在研发的新型战斗机和大型客机驾驶舱显示界面中的人为因素适航审定工作提供了新的符合性验证工具。      

面向复杂飞行任务的脑力负荷多维综合评估模型

针对多显示界面多飞行任务状态下的脑力负荷评价问题，设计了飞行仪表监控、飞行数字计算及飞行雷达探测3种不同类型的飞行任务，综合采用多种不同测评方法在飞行试验平台上开展脑力负荷实验测量和综合评价模型研究。实验结果表明:随着飞行任务类型的增多，NASA任务负荷指数（NASA-TLX）的主观评价分值显著增高；飞行正确探测率逐渐下降，反应时间显著延长；事件相关电位（ERP）测量技术中的P3a的峰值（在Fz电极处）逐步降低，心电（ECG）测量技术中的SDNN指标的数值逐步降低，眼电（EOG）测量技术中的眨眼次数没有显著变化。在此基础上，基于贝叶斯判别分析方法，建立了面向复杂飞行任务的脑力负荷多维综合评估模型，并将该综合评估模型与基于单一指标、双指标、三指标、四指标的模型进行了比较，结果显示:所提多维综合评估模型对于多显示界面多飞行任务中的显示界面脑力任务设计的等级分类预测准确率最高，其平均分类预测准确率为82.22%。所提多维综合评估模型为大型复杂系统中显示界面脑力任务设计提供了有效的量化方法和科学依据，有助于歼击机和运输类飞机设计人员优化显示界面脑力任务设计，并为相关型号飞机显示系统的适航审定工作提供新的验证工具。      

高空风对大型客机航线性能的量化影响

高空风会影响大型客机航线飞行的油耗和飞行时间。本文提出了一种计算高空风对航线性能量化影响的方法,并分析了高空风对航线性能的量化影响。建立了有风条件下飞机的飞行仿真模型,提出了针对飞机航线飞行的驾驶员建模方法,基于"驾驶员-飞机"闭环数字虚拟飞行仿真方法,提出了一种计算高空风条件下飞机航线性能的方法。对算例飞机在典型航线下的油耗、飞行距离、飞行时间进行了计算与分析。结果表明:在飞行距离相同时,顺风可以减少飞机的航线飞行时间并降低油耗,逆风会增加飞机的航线飞行时间并增加油耗;由于高空风的影响,部分航线往返飞行时,油耗和飞行时间相差较大;对于部分远程航线,由于高空风的影响,为满足最大起飞重量限制,飞机需要减小商载以装载更多燃油,确保能够飞抵目的机场。     

垂直起降固定翼无人机串联混电系统优化设计

针对垂直起降固定翼无人机的动力需求特点，提出了一种专用于该类无人机的串联混电系统(S-HES)优化设计方法。首先，建立了旋翼、固定翼及转换模式下的垂直起降固定翼无人机的功率需求模型和基于串联混电系统功率传递路径的混电功率解算方程，给出了计及功率约束、能量约束及电池充电的电池质量解算方法，并在大量统计数据的基础上建立了其他混电部件质量解算方程。其次，使用威兰氏线法建立了考虑发动机工作点变化的燃油消耗模型。使用柯西变异粒子群算法基于各物理数学模型在飞行剖面内的各个飞行阶段展开混电控制参数优化，从而完成垂直起降固定翼无人机的顶层设计要求向串联混电系统最佳供电策略、设计功率及质量分配方案的转化。在城市货运和山区货运2种应用场景下对所提方法进行了验证。最后，分析了优化设计结果对于不同飞行阶段性能要求的敏感性。研究结果表明:所提方法可较好地捕捉垂直起降固定翼无人机任务剖面的调整及各飞行阶段的性能要求变化对串联混电系统优化设计结果的显著影响，对垂直起降固定翼无人机的各类应用场景均具有较好的适应性。      

积冰对飞机飞行性能的影响

针对飞机飞行过程中出现的积冰所带来的不利影响,提出一种求解积冰条件下飞行性能的思路.基于二维有限基本解法对翼型前缘的积冰形状进行预测;在计算飞行性能时,利用数值模拟的方法求解RNG(Renormalization Group) k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,对飞机全机流场进行解算,从而得出积冰状态下飞机的升力、阻力特性.最终结果表明:积冰严重影响着飞机的飞行性能,这与由相关实验得出的结论一致.该方法可应用于工程领域,对积冰条件下飞机的飞行性能进行快捷、有效地求解,为研究飞机防冰技术、提高飞行性能提供参考.