用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场

基于三维紊流场相关函数矩阵用蒙特卡罗法仿真生成三维空间大气紊流场,并用理论证明和紊流场数值检验的方法,证明这样的空间大气紊流场较好地符合所选用的大气紊流模型 (如 Dryden模型),且具有良好的均匀性和各向同性。三维空间大气紊流场可用于飞机飞行仿真,尤其是多架飞机在大气紊流中飞行的仿真 (如空中加油、编队飞行)。     

适用于直升机飞行力学分析的三维空间大气紊流模型

发展了一种新的适用于直升机飞行力学分析的三维空间大气紊流模型。采用Dryden紊流模型生成给定空间点的时域离散紊流速度,在速度坐标系框架下,横向和垂向采用统计特性守恒的高斯插值法进行紊流场空间扩展,而沿速度的纵向采用时间序列延迟法扩展紊流场,最终形成覆盖直升机各个气动面的三维空间大气紊流速度场。将本文计算结果和国外经过飞行仿真验证的二维空间紊流模型结果进行对比分析,验证本文模型的有效性和正确性,研究二维和三维空间紊流模型的区别。结果表明:本文模型改善了二维空间大气紊流模型对俯仰角速度、横向速度和航向角速度响应计算幅值偏小的缺陷;紊流引起的直升机响应幅值随飞行速度和紊流强度的增加而增大,随飞行高度的增加而减小。     

六自由度飞行实时仿真和功率谱法比较

大气紊流是飞机巡航状态中影响飞机运动的主要大气扰动现象,以奖状飞机和波音747为例,研究飞机受大气紊流影响所产生的飞行姿态变化。使用了两种方法进行飞行仿真,一种是基于六自由度飞行力学方程的实时仿真法,另一种是基于线性化小扰动方程组的响应频谱法。通过与试飞数据进行比较,分析两种方法的优缺点。研究表明,六自由度飞行实时仿真可以更好地模拟大型飞机大气扰动下的飞行状态,较准确地表征各项参数变化特性。     

二维紊流场对飞艇水平面内运动影响研究

大气紊流是影响高空飞艇水平面内巡航的重要原因,传统Dryden模型采用谱分解定理,只能生成一维大气紊流模型,对于高空飞艇复杂的飞行运动来说,生成二维紊流风场模型是必要的.基于紊流场的空间相关特性,采用离散自递归方法构建风场模型,然后结合风速矢量三角形关系式,建立扰动下的飞艇动力学模型,再对该模型进行水平竖直解耦.仿真结果表明,大气紊流作用在飞艇上的力会使飞艇较大程度地偏离其运动航迹,呈不稳定的随机波动状态.因此,构建高空飞艇动力学模型时,要充分考虑大气紊流的影响.     

农林飞机超低空飞行大气紊流影响研究

在建立农林飞机超低空飞行时的大气紊流模型基础上,结合频域和时域两种计算方法研究了各种不同紊流强度下的大气紊流对农林飞机超低空飞行的影响,同时采用加速度综合评分的方法对其影响进行定量评估,最后给出了大气紊流对农林飞机超低空飞行影响的规律,对工程应用有一定的参考价值。     

基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

根据飞行仿真、控制律设计等应用需求,采用有理谱法建立了基于大气紊流Von Karman模型的有理式模型结构。对不同阶次有理式模型精度的对比分析研究表明,五四模型在整个频率范围内更为接近Von Karman模型。采用五四模型可更为精确地反映大气紊流高频特性对弹性飞行器运动及弹性振动特性的影响,并将五四模型应用于飞行仿真,分析了大气紊流对飞机纵向运动的影响。研究结果表明,该模型具有工程实用性。     

基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

根据飞行仿真、控制律设计等应用需求,采用有理谱法建立了基于大气紊流Von Karman模型的有理式模型结构。对不同阶次有理式模型精度的对比分析研究表明,五四模型在整个频率范围内更为接近Von Karman模型。采用五四模型可更为精确地反映大气紊流高频特性对弹性飞行器运动及弹性振动特性的影响,并将五四模型应用于飞行仿真,分析了大气紊流对飞机纵向运动的影响。研究结果表明,该模型具有工程实用性。     

飞机对连续大气紊流时域响应的数字计算

提出了一种新的计算方法—飞机对连续大气紊流时域响应的数字计算方法。论证和计算了这一方法的正确性和合理性：利用乘同余法产生均匀分布伪随机数，经过参数变换求出高斯分布的伪随机数；计算它们的均值、均方差、均方根、相关函数和功率谱密度，检查其统计特性；进行线性插值，利用差分方程解算Ｄｒｙｄｅｎ滤波器的时域模型，求出纵向各大气紊流分量的信号；给出解算连续大气紊流的飞机模型，求出飞机的时域响应。最后，分析并判断了大气紊流对飞机的影响。通过计算和分析表明，这种计算方法是正确可行的，它比频域分析方法更清晰、更直观和更为有效。并首次成功地用于飞行轨迹稳定性的地面模拟试验。     

结冰对飞机横航向飞行品质的影响

针对结冰后飞机横航向飞行品质问题,引入结冰影响模型,对不同结冰条件下的飞行动力学特性进行仿真。基于仿真结果和典型模态特性,利用等效系统拟配原理在时域范围内对飞机结冰后的滚转角变化进行了分析。提出基于典型模态下对飞机横航向时域响应进行拟合,从而计算出结冰后横航向模态特性参数的方法。根据计算结果,分析了不同结冰严重程度对飞机横航向飞行品质的影响。仿真结果表明,结冰后飞机横航向模态特性变差,飞行品质发生降级,对飞行安全构成了严重威胁。     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

大气紊流环境下的纵向飞行参数响应分析

介绍了大气紊流环境下飞机纵向飞行参数的计算与匹配方法.由于紊流的随机性特征,飞行参数响应分析采用时域与频域相结合的方式,对某型飞机紊流环境下的纵向飞行参数进行了计算分析.采用所介绍的方法,可以获得比较合理的飞行情况来指导型号设计工作.     

用于飞行仿真的二维紊流场的数字生成法

 在飞行仿真的某些特殊情况(例如编队飞行、空中加油情况)下有必要生成二维紊流场,其中的紊流速度是两个坐标(例如沿飞行方向的x和沿翼展方向的y)的随机函数。在已有的一维紊流场生成技术的基础上,本文提出了一种简易而有效的生成二维紊流场,即在矩形网络上生成紊流速度序列的方法。经抽样检验,这样生成的紊流场的相关函数基本上符合紊流模型的相关特性,因而证实了该方法的可行性。还讨论了在飞行仿真中二维紊流生成器的两种运行方式——在线式和离线式。     

含湍流可变向微下击暴流的建模

本文建立一个适用于飞行力学研究和飞行员训练的微暴流风切变模型。该模型可模拟以任意方向倾泻的微暴流，其暴核离地高度、暴核直径、暴流强度、暴流倾泻方向、距机场位置等皆为可调参数，使用灵活方便，文中还给出了一种模拟非平衡微暴流湍流的方法，使微暴流模型更趋完善。     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

大气紊流对驾驶员诱发振荡的影响

首先建立了大气紊流下的飞机本体短周期运动方程、驾驶员模型、Dyr den大气紊流模型及人机闭环系统模型 ;然后利用Matlab软件在时域内进行了数值仿真 ,仿真结果表明 ,对于装有电传操纵系统的飞机来说 ,大气紊流对驾驶员诱发振荡的影响不明显。     

A practical filter error method for aerodynamic parameter estimation of aircraft in turbulence

It is common for aircraft to encounter atmospheric turbulence in flight tests. Turbulence is usually modeled as stochastic process noise in the flight dynamics equations. In this paper, parameter estimation of nonlinear dynamic system with both process and measurement noise was studied, and a practical filter error method was proposed. The linearized Kalman filter of first-order approximation was used for state estimation, in which the filter gain, along with the system parameters and the initial states, constituted the parameter vector to be estimated. The unknown parameters and measurement noise covariance were estimated alternately by a relaxation iteration method, and the sensitivities of observations to unknown parameters were calculated by finite difference approximation. Some practical aspects of the method application were discussed. The proposed filter error method was validated by the flight simulation data of a research aircraft. Then, the method was applied to the flight tests of a subscale aircraft, and the aerodynamic stability and control derivatives were estimated. All the estimation results were compared with the results of the output error method to demonstrate the effectiveness of the approach. It is shown that the filter error method is superior to the output error method for flight tests in atmospheric turbulence.