復(fù)雜大氣擾動下大型飛機飛行實時仿真建模研究.pdf

1、飛機飛行過程中經(jīng)常遭遇到低空風(fēng)切變、大氣紊流等各類復(fù)雜大氣擾動現(xiàn)象。大氣紊流會造成飛行顛簸，影響乘座舒適性，長時間將造成飛機結(jié)構(gòu)疲勞損壞；各類低空風(fēng)切變現(xiàn)象則是飛機起飛、著陸階段威脅飛行安全的主要危險天氣，一旦飛行員不及時規(guī)避或操縱失誤，可能造成嚴(yán)重飛行事故。鑒于大氣擾動對飛行安全的嚴(yán)重危害，在飛行模擬器上高逼真度地模擬飛機在復(fù)雜大氣擾動中的飛行，從而用于科學(xué)研究或訓(xùn)練飛行員是很有意義的。本文研究建立了各類大氣擾動模型以及用于飛行模擬器

2、的大型飛機飛行實時仿真模型，并在此基礎(chǔ)上就飛機穿越各類大氣擾動問題展開研究。
　　 首先，本文針對低空微下?lián)舯┝鳌⒅懈呖沾髿馕闪鬟@兩種典型大氣擾動現(xiàn)象分別建立了三維高逼真度模型。基于流體力學(xué)的渦環(huán)和Rankine復(fù)合渦原理構(gòu)建三維微下?lián)舯┝鞯膮?shù)化模型；通過渦環(huán)傾斜和多渦環(huán)疊加的方法高逼真度地模擬實際的微下?lián)舯┝黠L(fēng)場。通過與實測風(fēng)場的對比分析表明，本文建立的微下?lián)舯┝髂Ｐ筒粌H可用于飛行實時仿真，也可用于復(fù)現(xiàn)實際復(fù)雜風(fēng)場，從而可更

3、深入地應(yīng)用到飛行事故再現(xiàn)等。
　　 提出了基于時頻變換的三維空間大氣紊流場的生成與擴展方法。通過在頻域中進行符合von Karman模型的三維大氣紊流場的蒙特卡羅隨機抽樣，經(jīng)傅里葉逆變換直接生成時域紊流場，有效避免了時域內(nèi)復(fù)雜的有理譜分解。通過預(yù)先生成無因次的紊流場、仿真中再進行有因次化的方法使得紊流場的強度和尺度可隨飛行高度動態(tài)變化。設(shè)計了一種紊流場對稱擴展方法，保證根據(jù)已生成的空間紊流場有效擴展為大范圍連續(xù)紊流場，從而在飛行

4、實時仿真中更逼真地模擬中高空大氣紊流現(xiàn)象。
　　 其次，本文基于Boeing747-100B飛機建模數(shù)據(jù)，運用嵌入式數(shù)據(jù)庫技術(shù)和嵌入式實時仿真平臺，建立了一個可在PC機上運行、可用于飛行模擬器實時仿真的QZSim動力學(xué)模型。針對已有的建模數(shù)據(jù)的特點，研究了數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法和基于Bekerley DB的飛行實時仿真數(shù)據(jù)庫組織。結(jié)合相關(guān)航空組織對飛行模擬器實時仿真系統(tǒng)的建模及驗?zāi)Ｒ?，本文分別建立了B747飛機核心動力學(xué)模型、氣動模

5、型、發(fā)動機模型、操縱系統(tǒng)模型以及大氣環(huán)境模型等等。在建模的同時，對各個分系統(tǒng)模型分別進行了驗證。構(gòu)建了基于Windows+RTX的QZSim飛行實時仿真動力學(xué)模型。將QZSim模型在“輕舟一號”輕型飛行模擬器上進行了實際運行，具有一定的模擬逼真度，效果良好。
　　 在建立B747全機模型的基礎(chǔ)上，對整個動力學(xué)模型進行了總體驗證研究。設(shè)計了一個改進的Newton-Raphson配平算法，通過合理選擇約束條件和尋優(yōu)范圍，完成對六自由

6、度飛行狀態(tài)的配平。在此基礎(chǔ)上，對模型進行了動力學(xué)模態(tài)測試，并與飛行試驗數(shù)據(jù)進行了對比。結(jié)果表明，模型的長短周期模態(tài)、荷蘭滾模態(tài)測試結(jié)果均與飛行試驗數(shù)據(jù)符合較好。本文亦將模型對操縱的動力學(xué)響應(yīng)與線性化傳遞函數(shù)模型的響應(yīng)進行了對比分析。
　　 最后，本文基于建立的各類擾動風(fēng)場模型和B747飛機動力學(xué)模型，采用數(shù)值仿真方法，研究了大型飛機穿越低空微下?lián)舯┝骱痛髿馕闪鞯膭恿W(xué)響應(yīng)問題。與小型飛機相比，大型飛機的尺度與中小規(guī)模的風(fēng)場尺度接