留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

飞机风扰响应特性的模拟与评定方法

徐王强 王立新 乐挺 张喆

徐王强, 王立新, 乐挺, 等 . 飞机风扰响应特性的模拟与评定方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 853-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804
引用本文: 徐王强, 王立新, 乐挺, 等 . 飞机风扰响应特性的模拟与评定方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 853-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804
XU Wangqiang, WANG Lixin, YUE Ting, et al. Simulation and evaluation method of aircraft response characteristics under wind disturbance[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 853-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804(in Chinese)
Citation: XU Wangqiang, WANG Lixin, YUE Ting, et al. Simulation and evaluation method of aircraft response characteristics under wind disturbance[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 853-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804(in Chinese)

飞机风扰响应特性的模拟与评定方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0804
基金项目: 

航空科学基金 20141351018

详细信息
    作者简介:

    徐王强  男, 博士研究生。主要研究方向: 飞机设计、飞行安全

    王立新  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 飞机设计、飞行动力学与控制、飞行安全等

    乐挺   男, 博士, 讲师, 硕士生导师。主要研究方向: 飞行动力学与飞行控制

    通讯作者:

    乐挺, E-mail: yueting_buaa@163.com

  • 中图分类号: V221+.3

Simulation and evaluation method of aircraft response characteristics under wind disturbance

Funds: 

Aeronautical Science Foundation of China 20141351018

More Information
  • 摘要:

    针对飞行试验研究飞机风扰响应特性时存在的安全性与经济性问题,提出了一种在平静大气中模拟及量化评定飞机风扰响应特性的方法。通过设计舵面输入指令来激励飞机,使其产生能够模拟受到风扰的运动响应,进而完成飞机风扰响应特性的评定。以某型飞机为算例,基于PID控制方法设计了激励指令信号,模拟了飞机遭遇垂直突风与侧风后的响应特性,并基于时域峰值法评定了飞机的稳定特性。采用低阶等效拟配的方法对基于风扰响应数据评定所得的稳定特性结果进行了对比验证,结果表明,所建立的模拟风扰响应的控制指令设计与稳定特性评定方法是正确合理的。研究方法与结果对于飞机风扰响应特性的飞行试验评定等具有一定的参考价值。

     

  • 图 1  时域峰值法示意图

    Figure 1.  Sketch map of time-domain peak value method

    图 2  半波长离散突风模型

    Figure 2.  Half-wavelength discrete gust model

    图 3  舵面激励指令设计原理

    Figure 3.  Design principle of control surface stimulating signals

    图 4  纵向激励指令设计原理

    Figure 4.  Design principle of longitudinal stimulating signals

    图 5  横向激励指令设计原理

    Figure 5.  Design principle of lateral stimulating signals

    图 6  航向激励指令设计原理

    Figure 6.  Design principle of directional stimulating signals

    图 7  舵面动力学模型

    Figure 7.  Dynamic model of control surface

    图 8  纵向增稳控制律

    Figure 8.  Longitudinal stability augmentation control law

    图 9  横航向增稳控制律

    Figure 9.  Lateral stability augmentation control law

    图 10  不同垂直突风下的迎角和俯仰角速率响应

    Figure 10.  Angel of attack and pitch rate response under different vertical gust

    图 11  不同垂直突风下的舵面激励指令

    Figure 11.  Control surface stimulating signals under different vertical gust

    图 12  不同垂直突风下舵面激励指令的跟踪结果

    Figure 12.  Tracking results of control surface stimulating signals under different vertical gust

    图 13  不同侧风下的滚转角和侧滑角响应

    Figure 13.  Roll angle and sideslip angle response under different cross wind

    图 14  不同侧风下横向激励指令与滚转角响应的跟踪结果

    Figure 14.  Tracking results of lateral stimulating signals and roll angle response under different cross wind

    图 15  不同侧风下的航向激励指令

    Figure 15.  Directional stimulating signal under different cross wind

    图 16  不同侧风下偏航角速率与侧滑角响应的跟踪结果

    Figure 16.  Tracking results of yaw rate and sideslip angle response under different cross wind

    表  1  直接影响飞行安全的典型飞行状态参数

    Table  1.   Typical flight status parameters that affect flight safety directly

    飞行状态参数 幅值限制
    α 失速迎角
    β 最大方向舵偏配平侧滑角
    V 最小飞行速度
    ϕ 最大滚转角
    下载: 导出CSV

    表  2  算例飞机低阶等效拟配结果

    Table  2.   Low-order equivalent matching results of example aircraft

    参数 数值
    Kq -0.45
    1/Tθ2 2.02
    τθ 0.03
    ζsp 0.59
    ωnsp 2.83
    Kϕ -0.62
    τeϕ 0.15
    TR 0.86
    TS 8.5
    Kβ 0.71
    τeβ 0.11
    ζd 0.41
    ωd 2.25
    下载: 导出CSV

    表  3  算例飞机短周期模态特性

    Table  3.   Short-period mode characteristics of example aircraft

    评定方法 激励信号 短周期阻尼比 短周期频率/(rad·s-1)
    时域峰值法 升降舵与副翼组合信号 0.55 2.62
    低阶等效法 方波 0.59 2.83
    3211 0.59 2.83
    扫频 0.59 2.84
    下载: 导出CSV

    表  4  算例飞机荷兰滚模态特性

    Table  4.   Dutch roll mode characteristics of example aircraft

    评定方法 激励信号 荷兰滚阻尼比 荷兰滚频率/(rad·s-1)
    时域峰值法 方向舵与副翼组合信号 0.48 2.12
    低阶等效法 方波 0.41 2.25
    3211 0.45 2.26
    扫频 0.44 2.23
    下载: 导出CSV
  • [1] FREDERIC M.Gust loads on aircraft: Concepts and applications[M]. Reston: AIAA, 1988.
    [2] EICHENBAUM F D, INGRAM C T.A comparison of C-141A flight test measured and theoretical vertical-gust responses[J]. Journal of Aircraft, 1971, 6(6): 532-536. doi: 10.2514/3.44101
    [3] MCPHERSON R.YC-14 flight test results: AIAA-1977-1259[R].Reston: AIAA, 1977.
    [4] FREUND D, SIMMONS F, SPIVEY N, et al.Quiet SpikeTM prototype flight test results: AIAA-2007-1778[R].Reston: AIAA, 2007.
    [5] ZYLUK A, SIBILSKI K.The gust resistant MAV-Aerodynamic measurements, performance analysis, and flight tests: AIAA-2015-1684[R].Reston: AIAA, 2015.
    [6] KUBO D.Gust response evaluation of small UAS via free flight in gust wind tunnel: AIAA-2018-0297[R].Reston: AIAA, 2018.
    [7] IMAI S, BLASCH E, GALLI A, et al. Airplane flight safety using error-tolerant data stream processing[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2017, 32(4): 4-17. doi: 10.1109/MAES.2017.150242
    [8] 李中付, 华宏星, 宋汉文, 等. 用时域峰值法计算频率与阻尼[J]. 振动与冲击, 2001, 20(3): 5-8. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2001.03.002

    LI Z F, HUA H X, SONG H W, et al. Identification of frequencies and damping ratios with time-domain peak values[J]. Journal of Vibration and Shock, 2001, 20(3): 5-8(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2001.03.002
    [9] STEVENS B L, LEWIS F L.Aircraft control and simulation[M].New York: John Wiley & Sons, Inc., 2004.
    [10] VO H, SESHAGIRI S.Robust control of F-16 lateral dynamics[J]. International Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, 2008, 2(2): 80-85. http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=4757977
    [11] ISO.Standard atmosphere: ISO 2533-1975[S].Switzerland: ISO, 1975.
    [12] PHILIPP B, REIK T, SEBASTIAN T.Frequency domain gust response simulation using computational fluid dynamics[J]. AIAA Journal, 2017, 55(7): 2174-2185. doi: 10.2514/1.J055373
    [13] 朱红萍, 罗隆福. 基于ITAE指标的PID控制器参数优化设计[J]. 电气自动化, 2009, 31(6): 37-39. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQZD200906014.htm

    ZHU H P, LUO L F.Optimization design of PID controller parameters based on ITAE index[J]. Intelligent Control Techniques, 2009, 31(6): 37-39(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQZD200906014.htm
    [14] YIN X M, WANG Y J, LIU L, et al.Particle swarm optimization for the hypersonic vehicle robust control system design: AIAA-2017-2229[R].Reston: AIAA, 2017.
    [15] 方振平, 陈万春, 张曙光. 航空飞行器飞行动力学[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005: 92-93.

    FANG Z P, CHEN W C, ZHANG S G.Aircraft flight dynamics[M]. Beijing: Beihang University Press, 2005: 92-93(in Chinese).
    [16] U.S.Department of Defense.Flying quality of piloted air planes: MIL-STD-1797A[S].Washington, D.C.: U.S.Department of Defense, 1990.
  • 加载中
图(16) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  401
  • HTML全文浏览量:  75
  • PDF下载量:  56
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-26
  • 录用日期:  2018-10-15
  • 网络出版日期:  2021-04-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答