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...     

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。     

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。     

非对称结冰条件下的飞机飞行动力学仿真

飞机结冰是威胁飞行安全的重要因素之一,因此对结冰问题的研究显得尤为重要。基于非对称结冰模型,对飞机在结冰条件下的飞行动力学特性进行了仿真研究。提出了一种精确的结冰程度计算模型,建立了飞机非对称结冰模型,模拟了飞机在非对称结冰状态、不同结冰严重程度以及不同飞行阶段对结冰引起的滚转及偏航力矩的动态响应特性,并探讨了结冰对飞机飞行性能的影响。仿真结果表明,非对称结冰使飞机飞行性能恶化,而且飞机在非对称结冰状态下极易偏离正常飞行状态,对飞行安全造成巨大威胁。     

平尾结冰对飞机动力学特性影响的仿真研究

针对某型飞机平尾结冰后的动态响应问题,利用结冰参数建立的平尾结冰参量模型,仿真分析了无操纵情况下平尾结冰对巡航特性的影响,以及平尾结冰后升降舵单位阶跃的纵向操纵响应,并研究了不同平尾结冰严重程度下飞机在进近与着陆过程中的动态响应及平尾失速特性,获得了平尾结冰对飞机动力学特性的影响规律.     

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。     

基于支持向量机的飞机空中结冰严重程度识别

为了保证飞机的飞行安全,必须对飞机空中结冰的严重程度作出较准确的判断。针对飞机空中结冰状况的复杂性,提出将支持向量机与二分法相结合的飞机空中结冰严重程度识别的算法模型。仿真结果表明,虽然该训练样本较少且为多参量分类识别,但是由于建立了多支持向量机且采用二分法的概率抉择能找到最佳的建立支持向量机的分类方式,所以找到了最佳的分类方式,提高了分类准确率,而且可以较准确地识别飞机空中结冰的严重程度。可见该方法可以在训练样本较少的情况下对飞机空中结冰严重程度作出较好的识别效果。     

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。     

飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用

飞机结冰是飞行过程中所面临的严重安全隐患,不同气象条件下会产生各种不同的结冰类型。文章介绍了几种常见冰型、成冰机理及其对飞机结构和系统可能产生的危害程度,分析研究了目前国内外飞机结冰探测技术的现状和发展趋势,总结了各种防除冰措施在飞机上的应用和技术特点,并以波音777飞机防除冰系统设计为例,说明典型飞机结构防除冰系统设计的特点和功能。     

飞机结冰后非线性气动力建模及动态响应特性研究

当前结冰后的动力学仿真主要基于线性气动力模型及结冰影响模型进行,对于结冰后非线性气动力模型的研究较少,然而这对于飞机结冰后在大迎角等非线性区域的动力学分析极为重要.研究了飞机结冰后的非线性气动力模型,将结冰后线性气动力模型的估算方法扩展到非线性气动力模型上,并在结冰后大迎角区域风洞试验数据的基础之上,对失速及过失速区的气动参数变化进行修正.研究了飞机在不同升降舵脉冲信号作用下的动态响应.仿真结果表明,计算结果能够较好地反映飞机在结冰状态下的动力学特性,提出的非线性结冰影响模型能够为结冰条件下研究飞机失速及过失速区域的动力学特性提供理论支撑.     

基于吸引域与二元极值理论的结冰飞机飞行风险量化评估

结冰会导致飞机飞行包线萎缩，在驾驶员没有正确处理的情况下极易发生飞行事故。为定量计算结冰条件下飞机飞行风险进而制定合理的结冰风险规避策略，以飞机纵向动力学系统为分析对象，基于吸引域方法计算得到飞机结冰后的二维吸引域及稳定边界，并以飞行状态超出稳定边界作为飞行事故判定条件。建立了典型的人-机-环系统模型，通过蒙特卡罗仿真提取了飞行安全关键参数极值样本；根据极值理论，建立二元极值Copula模型；通过遗传算法辨识模型参数，依据多种拟合优度检验方法确定最优分布模型，进而计算不同结冰影响程度下的飞行风险概率，并由此来指导驾驶员操纵，从而保证飞行安全。文中所述方法，为定量计算结冰条件下飞行风险概率提供了新的思路，具有较好的工程应用前景。     

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,...     

基于H∞算法的飞机机翼结冰气动参数辨识

针对国内大型飞机结冰防护需求,开展针对大型结冰研究样机的H_∞算法参数辨识结冰探测研究。首先通过参数调节选取一组合适的H_∞算法参数,利用考虑测量噪声的结冰研究样机飞行仿真数据验证H_∞算法的辨识能力,由结果对比发现辨识算法能够跟踪飞机气动导数随结冰累积过程的变化趋势,辨识精度较高,其最大归一化平方根（RMS）误差仅为真值的11%;分析了H_∞算法对81种不同结冰累积过程的辨识能力,通过结果分析发现结冰累积时间较长且结冰速度较慢的情况辨识效果较差,结冰累积时间在100~300 s之间辨识精度较高;最后利用蒙特卡罗仿真分析了不同测量噪声大小对H_∞算法辨识精度和跟踪延时的影响,给出了3个纵向气动导数在随机误差影响下的辨识误差和跟踪延时的统计结果,发现在给定噪声标准差变化范围内,升力和俯仰力矩关于迎角的导数能够得到较为准确的辨识结果,二者的归一化平方根误差均值仅为各自真值的1.8%和4%,其预报延时均值最大仅为3 s和9.5 s。     

基于鲁棒伺服LQR的结冰飞机纵向控制律重构方法

由于防/除冰系统总会出现故障或者除冰不彻底,因此仅依靠防/除冰系统实现结冰条件下的安全飞行并非完全可靠,研究结冰后飞机控制律重构对飞机操纵安全和飞行安全极其重要。针对飞机的纵向运动建立了结冰影响模型和纵向动力学模型,采用鲁棒伺服线性二次型调节器(LQR)最优控制设计了飞机结冰后空中飞行纵向控制律,模拟了飞机在俯仰姿态保持模式下遭遇不同严重程度结冰后的动态响应特性,并与常规PID控制进行对比。结果表明,所设计的控制律能够有效改善结冰飞机的飞行性能和飞行品质,准确跟踪给定的俯仰角指令,且抗干扰能力、动态性能以及鲁棒性均优于常规PID控制。为飞机结冰后的重构控制问题和自动飞行控制,提供了新的思路。     

待机状态下机翼结冰的快速计算方法

飞机在飞行过程中遭遇结冰气象,尤其是过冷大水滴结冰条件所导致的机翼结冰,将严重影响飞机的气动性能与操纵品质,从而导致飞行故障或飞行事故,是飞机飞行安全的重要影响因素,是飞机研制中必须重点解决的难题。虽然针对结冰已建立有多种计算仿真程序,但快速获得结冰模拟冰形,包括过冷大水滴条件下的结冰模型是工程师们一直追求的解决方案。利用前向多层神经网络,尝试建立了一种针对待机状态下的机翼结冰模型。此方法基于坐标转换原理,将获取的采用直角坐标表达的标准翼型的机翼结冰数据转换为对应的极坐标表达的数据,以飞行参数、气象参数和极坐标角度作为输入,极坐标模值作为输出训练构建出此种机翼结冰模型。使用所建立的模型,仿真预测结果表明该计算方法具备快速性和精确性,其计算精度可满足实际要求。     

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。     

飞机结冰在线辨识方法研究

开展飞机结冰气动特性在线辨识研究,不仅可以用于分析结冰对飞机气动特性的影响,而且对于飞机结冰在线识别具有重要的意义。近年来卡尔曼滤波和 H ∞算法在飞机结冰在线辨识中应用较多,二者均具有可靠性高、收敛快等特点,但对于噪声环境下算法的可靠性和精度评估还不够充分。本文针对飞机结冰在线辨识需求,探讨了扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法作为结冰在线辨识算法的应用。首先通过 NASA 双水獭结冰研究飞机算例,利用扩展卡尔曼滤波和 H ∞算法,辨识双水獭飞机结冰后的俯仰方向导数,通过考虑阵风扰动和测量噪声后的仿真数据快速估计该飞机俯仰方向上的三个稳定和控制导数,并将辨识结果与参考值对比,发现两种算法均能在2s 之内快速收敛到参考值附近,且滤波得到的状态量与仿真数据吻合较好,说明算法可靠性高且收敛快,具备飞机结冰在线探测的能力。在此基础上利用不同测量噪声统计特性的仿真数据,评估测量噪声对两种算法辨识精度的影响,经分析发现随着测量噪声标准差取值增大,扩展卡尔曼滤波辨识结果精度明显降低,而 H ∞算法的辨识精度变化较小,说明扩展卡尔曼滤波辨识精度依赖于噪声先验信息的准确性,而 H ∞算法不依赖于噪声先验信息,即使数据质量较差,H ∞算法也能得到精度相当的辨识结果。     

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.      

民用飞机临界冰型确定策略浅析

分析了适航规章第25部121修正案中关于民机临界冰型的修订内容,提出大型客机结冰适航验证所用临界冰型的确定策略。针对飞机不同飞行阶段分析飞机结冰特征,对飞机不同部件开展结冰参数临界性分析,确定临界结冰条件,结合结冰数值预测和冰风洞试验手段提出相应的临界冰型确定方法;同时提出适航验证所需失效冰型、延迟冰型等特殊冰型的确定方法。根据性能、操稳和动力专业对于结冰临界性的不同要求,对比评估各种冰型对飞机影响的严重程度,最终确定飞机用于适航验证的临界冰型。本文可为大型客机的结冰适航验证工作提供参考。     

机翼结冰探测技术进展

结冰传感器作为检测结冰状态的设备在飞行器中扮演着相当关键的角色.它能给出飞机航行中结冰的信息,高性能结冰传感器还能定量给出结冰严重程度的信息,配合机载除冰装置,可使飞机在结冰气象条件下减小失事的可能性.