复杂大气扰动下大型飞机飞行实时仿真建模研究

【摘要】： 飞机飞行过程中经常遭遇到低空风切变、大气紊流等各类复杂大气扰动现象。大气紊流会造成飞行颠簸,影响乘座舒适性,长时间将造成飞机结构疲劳损坏;各类低空风切变现象则是飞机起飞、着陆阶段威胁飞行安全的主要危险天气,一旦飞行员不及时规避或操纵失误,可能造成严重飞行事故。鉴于大气扰动对飞行安全的严重危害,在飞行模拟器上高逼真度地模拟飞机在复杂大气扰动中的飞行,从而用于科学研究或训练飞行员是很有意义的。本文研究建立了各类大气扰动模型以及用于飞行模拟器的大型飞机飞行实时仿真模型,并在此基础上就飞机穿越各类大气扰动问题展开研究。 首先,本文针对低空微下击暴流、中高空大气紊流这两种典型大气扰动现象分别建立了三维高逼真度模型。基于流体力学的涡环和Rankine复合涡原理构建三维微下击暴流的参数化模型;通过涡环倾斜和多涡环叠加的方法高逼真度地模拟实际的微下击暴流风场。通过与实测风场的对比分析表明,本文建立的微下击暴流模型不仅可用于飞行实时仿真,也可用于复现实际复杂风场,从而可更深入地应用到飞行事故再现等。 提出了基于时频变换的三维空间大气紊流场的生成与扩展方法。通过在频域中进行符合von Karman模型的三维大气紊流场的蒙特卡罗随机抽样,经傅里叶逆变换直接生成时域紊流场,有效避免了时域内复杂的有理谱分解。通过预先生成无因次的紊流场、仿真中再进行有因次化的方法使得紊流场的强度和尺度可随飞行高度动态变化。设计了一种紊流场对称扩展方法,保证根据已生成的空间紊流场有效扩展为大范围连续紊流场,从而在飞行实时仿真中更逼真地模拟中高空大气紊流现象。 其次,本文基于Boeing747-100B飞机建模数据,运用嵌入式数据库技术和嵌入式实时仿真平台,建立了一个可在PC机上运行、可用于飞行模拟器实时仿真的QZSim动力学模型。针对已有的建模数据的特点,研究了数据的预处理方法和基于Bekerley DB的飞行实时仿真数据库组织。结合相关航空组织对飞行模拟器实时仿真系统的建模及验模要求,本文分别建立了B747飞机核心动力学模型、气动模型、发动机模型、操纵系统模型以及大气环境模型等等。在建模的同时,对各个分系统模型分别进行了验证。构建了基于Windows+RTX的QZSim飞行实时仿真动力学模型。将QZSim模型在“轻舟一号”轻型飞行模拟器上进行了实际运行,具有一定的模拟逼真度,效果良好。 在建立B747全机模型的基础上,对整个动力学模型进行了总体验证研究。设计了一个改进的Newton-Raphson配平算法,通过合理选择约束条件和寻优范围,完成对六自由度飞行状态的配平。在此基础上,对模型进行了动力学模态测试,并与飞行试验数据进行了对比。结果表明,模型的长短周期模态、荷兰滚模态测试结果均与飞行试验数据符合较好。本文亦将模型对操纵的动力学响应与线性化传递函数模型的响应进行了对比分析。 最后,本文基于建立的各类扰动风场模型和B747飞机动力学模型,采用数值仿真方法,研究了大型飞机穿越低空微下击暴流和大气紊流的动力学响应问题。与小型飞机相比,大型飞机的尺度与中小规模的风场尺度接近,不应再将飞机作为质点近似。为此,本文基于无风状态下的动力学模型,研究了含三维扰动风影响的模型修正的一般方法。在此基础上,进行了大型飞机穿越低空微下击暴流的纵向改出、横侧改出的实时仿真,并研究了发动机延时对改出飞行的影响。基于质点模型和四点模型,对飞行穿越中高空大气紊流进行了仿真研究。通过这些研究取得了若干有意义的结论,同时也表明,本文建立的飞行仿真模型可支持飞机穿越复杂大气扰动的高逼真度的实时仿真研究。