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。     

基于复杂动力学仿真的结冰情形下飞行安全窗构建方法

目前针对结冰情形下增强驾驶员情景感知的研究比较有限,现有的手段一般为通过评估部分飞行安全关键参数是否超出其极限值来对风险事件是否发生进行预测。建立了驾驶员操纵-飞机本体-积冰影响的动力学模型,通过对单个飞行情形预测时间段内飞行参数风险度的叠加得到该情形下的飞行安全谱,并在此基础上得到该情形下的风险值。基于建立的并行飞行仿真平台,获取飞机在整个操纵范围内的风险拓扑图,即安全窗。分析了飞机在对称结冰情形和非对称结冰情形下飞行安全窗的变化,并对结冰的致灾机理进行了分析。仿真结果表明结冰导致安全飞行范围缩减,对于非对称结冰还会出现安全窗不对称的现象。安全谱的提出可以为事故的演化分析提供一种全面直观的分析方法,安全窗的构建可为飞机遭遇各种不利情形下的驾驶员操纵提供指示,也可为飞机设计人员优化飞机性能提供一定的参考。     

基于六自由度方程的飞机结冰问题仿真

基于六自由度方程对飞机的结冰飞行动力学问题进行了仿真研究。首先针对飞机遭遇结冰时的结冰飞行过程进行仿真,开发了一种结冰过程中飞机结冰严重程度及气动参数的计算方法。通过在各仿真时刻对飞机气动参数进行结冰影响修正以实现对飞机结冰飞行过程的模拟,同时分析了结冰过程对飞行特性的影响。进而对飞机结冰后带冰飞行时不同结冰严重程度下的操纵面阶跃响应进行了仿真,并对仿真结果进行了分析。     

推进操纵飞机的应急飞控系统在F—15上的飞行试验

一种推进操纵飞机（ＰＣＡ）系统在Ｆ－１５飞机上的飞行试验已在ＮＡＳＡ德赖登飞行研究中心进行。飞机在使用手动油门的工作方式和一种增强系统工作方式锁定所有飞行操纵面的条件下飞行。后一种方式中，飞行员的拇指轮指令和飞机反馈参数用于油门定位。飞行评价结果表明，ＰＣＡ系统可以用于使一架主飞行控制系统发生故障的飞机安全着陆。ＰＣＡ系统曾用于把Ｆ－１５飞机从严重失去操纵条件改出、下降和着陆。这个报告描述了ＰＣＡ     

基于约束预测控制的飞行失控包线保护研究

风切变等大气扰动现象严重威胁飞机起降飞行安全。在受到随机风切变干扰下,离线设计的最优控制器无法保证飞行状态始终处在正常包线内。在大型民机线性变参数模型的基础上,从预防飞行失控的角度研究风切变下飞机进场着陆的预测控制方法。将飞行失控包线量化为状态约束,在此基础上设计在线模型预测控制器。仿真结果表明,利用预测控制的滚动优化策略,可使飞机在进场下滑阶段遭遇风切变时进行良好的下滑道捕获和跟踪,且将飞机状态始终约束在安全包线内。     

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。     

基于正规形法的结冰飞机着陆阶段非线性稳定域

结冰导致飞机飞行包线缩小、对飞行安全产生严重威胁,研究结冰后飞机非线性稳定域对边界保护系统的设计和飞行安全的提高极其重要。以某型运输机为研究对象,考虑飞机非线性气动特性建立飞机纵向非线性模型并进行增稳控制补偿设计;然后通过流形和正规形理论刻画结冰飞机纵向非线性稳定边界并得到稳定边界的解析表达式,通过仿真的手段验证了正规形理论确定的稳定边界和解析表达式的有效性和准确性。最后,分析了飞机着陆过程中,结冰因子对结冰飞机稳定域的影响以及结冰飞机发生事故的机理。研究结果表明,轻度结冰使飞机非线性稳定域缩小;重度结冰导致飞机稳定性发生改变;在未察觉飞机结冰的情况下,飞行员的常规操纵会使飞行状态超出结冰飞机的非线性稳定域、导致飞行事故。研究结果可为飞机结冰后的边界保护提供一定的参考。     

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.     

结冰条件下的飞机飞行动力学仿真

基于飞机结冰参量模型对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行了仿真研究.提出一种飞机结冰参量模型的参数计算方法,并针对一定结冰气象条件下的不同结冰时间对飞机的结冰严重程度进行了评估,基于小扰动理论对飞机结冰前和不同结冰严重程度下的纵向、横侧动稳定性以及操纵响应进行了仿真计算,根据仿真计算结果分析了不同结冰严重程度对飞机造...     

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。     

结冰对民机飞行性能的影响研究

结冰是威胁民机飞行安全、影响飞行性能的主要因素之一。分析总结了飞机的结冰机理及影响冰型的主要因素，并着重研究了结冰对民机的主要飞行性能，包括起飞性能、爬升性能、飞行包线、续航性能、下滑性能以及着陆性能的影响。研究结果可为国内民用飞机的研制和现役民机的改进、改型提供参考。     

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.     

Conceptual design and preliminary experiment of icing risk management and protection system

Icing is one of the main external environmental factors that causes aircraft to lose control. The flight safety assurance system under icing condition is particularly important. However,most of the systems do not consider the coupling characteristics of aerodynamics and flight dynamics of icing aircraft. This will affect the accuracy of the calculation results. Besides, the icing risk management system helps the pilot to realize the possible dangers in advance and perform correct maneuvers, base...     

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。     

飞机机动飞行的非线性解耦控制研究

本文针对12维非线性飞机动力学模型,利用非线性逆动力学理论和现代最优控制理论设计了一组含有指令静差积分环节的非线性解耦控制规律。这组控制规律使得对状态变量、控制变量以及它们变化率进行加权约束的性能指标极小,并能用平缓的操纵反应和较小的控制能量使飞机达到完全解耦的指定状态。由于这组控制规律计及了飞机动力学模型中的非线性因素,能够弥补飞机机动飞行时非线性特性的恶化影响,在整个飞行包线内都能为飞机提供优良的操纵品质和飞行性能。     

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。