CN111994300B - 一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，包括以下步骤：加工制造一定缩比率下的缩比模型；确定缩比模型飞行试验的飞行状态；在缩比模型试验飞行状态下开展试验，计算缩比模型飞行品质评定参数；对缩比模型的飞行品质评定参数进行相似变换，获得全尺寸飞机飞行品质评定参数；评定全尺寸飞行器的飞行品质等级。本发明可以较为逼真的反映全尺寸飞行器的机动运动过程、展示气动/运动耦合特性，飞行品质评定精度更高，实现在飞行器设计早期阶段开展考虑气动/运动一体化的飞行品质评定，能尽早地发现问题，为方案改动提供反馈，提升研制效率和水平、降低研制风险、缩短研制周期。

Description

一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法

技术领域

本发明属于飞行器飞行品质评定技术领域，具体涉及一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法。

背景技术

缩比模型是与全尺寸飞行器满足动力学相似的试验模型，对缩比模型的飞行试验结果进行相似处理，可以得到全尺寸飞行器响应的估计，进而对全尺寸飞行器动力学特性的进行评估。缩比模型具有尺寸小，成本低，易于加工制造的优点，在飞机三维构型初步设计完成后即可即可进行加工得到，并且缩比模型飞行试验可以较为逼真的反映全尺寸飞行器的机动运动过程。因此，将缩比模型飞行试验与飞行品质评定结合起来，可以得到一种综合了数学仿真模型评定方法和飞行试验评定方法的优点的更为进步的评定方法。然而，该方法的实现还存在以下技术难点：缩比模型与全尺寸飞机的动力学响应相似，因此二者的飞行品质评定参数并不相等，而是存在一定的相似映射关系，该相似关系是利用缩比模型试验得到全尺寸飞机飞行品质评定参数的关键，并且对于不同种类的飞行品质评定参数，如时域参数、低阶等效系统参数以及频域参数等，相似关系也存在差异，但目前该方面尚无系统性的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据一个方面，提供一种飞行器的缩比模型，所述的缩比模型与飞行器的外形相似，按照动力学相似系统设计准则，依照缩比率k进行设计制造，所述的动力学相似系统设计准则为：

式中，下标s表示缩比模型变量，下标f表示全尺寸飞行器变量，l为飞机尺寸，k为缩比率，S为机翼面积，ρ_b为飞行器材料密度，m为质量，J为惯性矩。

根据另一个方面，提供一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，实现步骤如下：

基于全尺寸飞行器设计方案，加工制造一定缩比率下的缩比模型；

选取全尺寸飞行器飞行品质评定的飞行状态，按照弗劳德数相等的原则，确定缩比模型飞行试验的飞行状态；

在缩比模型试验飞行状态下开展试验，根据缩比模型纵向、横向和航向三轴运动的激励指令和时域响应，计算缩比模型飞行品质评定参数；

基于缩比模型与全尺寸飞行器的运动相似性，结合缩比模型相对于全尺寸飞行器的尺寸缩比率，对缩比模型的飞行品质评定参数进行相似变换，获得全尺寸飞机飞行品质评定参数；

利用全尺寸飞机飞行品质评定参数，参照全尺寸飞行器的飞行品质评定准则，评定全尺寸飞行器的飞行品质评定等级。

进一步的，所述的缩比模型与全尺寸飞行器飞行状态的相似设计准则如下：

式中，V为飞行器飞行速度、g为重力加速度、ρ_a为来流空气密度。

进一步的，所述的缩比模型与全尺寸飞行器飞行品质评定参数的相似关系包括时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数的相似关系。

进一步的，所述缩比模型与全尺寸飞机时域评定参数的相似比例为缩比率k的开方。

进一步的，所述缩比模型和全尺寸飞机低阶等效系统评定参数的相似比例均可表示为缩比率k的幂次方。

进一步的，所述缩比模型和全尺寸飞机频域评定参数的相似比例为缩比率k开方的倒数。

进一步的，所述的飞行品质评定准则分为纵向评定准则和横航向评定准则。

优选的，所述的纵向评定准则包括chalk准则、CAP准则和带宽准则，分别对应时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数。

优选的，所述的横航向评定准则包括滚转模态准则、荷兰滚模态准则和螺旋模态准则，主要考察时域评定参数和低阶等效系统评定参数。

进一步的，所述的飞行品质评定准则的指标要求由飞行器的设计要求确定。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器的相似比例，获得飞行器品质评定的缩比模型，从而在进行飞行试验时更好的模拟全尺寸飞行器的飞行状态，获得更贴近全尺寸飞行器的飞行规律的数据，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(2)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器的飞行状态之间的关系，根据全尺寸飞行器的飞行状态确定缩比模型的飞行状态，从而获得更贴近全尺寸飞行器的飞行规律的数据，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(3)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器飞行品质评定参数的相似关系，保证了在获得缩比模型的飞行品质评定参数后，获得全尺寸飞行器飞行品质评定参数的准确性，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(4)本发明提出的基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，可在飞行器设计早期阶段实现考虑气动/运动一体化的飞行品质评定，能尽早地发现问题，为方案改动提供反馈，提升研制效率和水平、降低研制风险、缩短研制周期；

(5)本发明提出的基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，与传统的基于风洞试验数据的数学仿真模型评定方法相比，可以较为逼真的反映全尺寸飞行器的机动运动过程、展示气动/运动耦合特性，飞行品质评定精度更高。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例提供的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法步骤示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的带宽定义示意图；

图3(a)示出了根据本发明实施例提供的A种飞行阶段对应的CAP准则的指标要求；

图3(b)示出了根据本发明实施例提供的B种飞行阶段对应的CAP准则的指标要求；

图3(c)示出了根据本发明实施例提供的C种飞行阶段对应的CAP准则的指标要求。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明实施例提供一种飞行器的缩比模型，缩比模型与飞行器的外形相似，按照动力学相似系统设计准则，依照缩比率k进行设计制造，动力学相似系统设计准则为：

式中，l为飞机尺寸，k为缩比率，S为机翼面积，ρ_b为飞行器材料密度，m为质量，J为惯性矩。

如图1所示，根据本发明实施例提供一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，步骤如下：

步骤一，基于全尺寸飞行器设计方案，加工制造一定缩比率下的缩比模型；

步骤二，选取全尺寸飞行器飞行品质评定的飞行状态，按照弗劳德数相等的原则，确定缩比模型飞行试验的飞行状态；

进一步的在一个实施例中，缩比模型与全尺寸飞行器飞行状态的相似设计准则如下：

式中，V为飞行器飞行速度、g为重力加速度、ρ_a为来流空气密度。

步骤三，在缩比模型试验飞行状态下开展试验，根据缩比模型纵向、横向和航向三轴运动的激励指令和时域响应，计算缩比模型飞行品质评定参数；

步骤四，基于缩比模型与全尺寸飞行器的运动相似性，结合缩比模型相对于全尺寸飞行器的尺寸缩比率，对缩比模型的飞行品质评定参数进行相似变换，获得全尺寸飞机飞行品质评定参数；

进一步的在一个实施例中，所述的缩比模型与全尺寸飞行器飞行品质评定参数的相似关系包括时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数的相似关系：

优选的在一个实施例中，时域评定参数指的是响应时间，该参数的相似比例如下；

t_s＝t_f·k^0.5 (1)

式中，t为飞行器的达到某一运动状态的响应时间，可见，缩比模型与全尺寸飞机达到相似运动状态响应时间的相似比例为缩比率k的开方。

优选的在一个实施例中，低阶等效系统评定参数的相似比例关系需根据运动相似性进行推导，以纵向低阶等效系统为例，介绍其参数相似比例的推导过程；

飞行器纵向低阶等效系统如下：

式中，q为俯仰角速率，α为迎角；δ_e为升降舵指令；K_q和K_α为等效传递函数的增益；T_θ2为等效短周期分子ζ_sp间常数；τ_q和τ_α为传递函数等效延迟时间；ζ_sp为等效短周期阻尼比；ω_sp为等效短周期自然频率。

根据传递函数的拉普拉斯变换方法，将低阶等效系统传递函数(2)写成微分方程的形式如式(5)和式(6)所示，其中式(5)为状态方程，式(6)为输出方程：

式中，x为系统的状态变量。

根据微分方程的量纲齐次性原理，方程中各项的量纲相同，以方程中任意一项除其他各项，则方程化为无量纲形式。因此，将式(3)中每一项均除以最后一项，可以将状态方程无量纲化：

上式中各项均为无量纲量。由相似第一定理和相似第二定理，缩比模型和全尺寸飞机无量纲化运动方程相同，因此方程中对应项的数值相等：

根据缩比模型和全尺寸飞机升降舵偏度和响应时间的相似关系：

根据上式，可以得到状态变量x、状态变量对时间的一阶导数dx/dt、二阶导数d²x/dt²/的相似比例关系：

将式(8)代入式(6)，可以得出等效短周期频率的相似比例为k^-0.5，二者的等效短周期阻尼比的相似比例为1：

同理，对输出方程进行无量纲化处理，可以得到：

对应项的等式为：

根据缩比模型和全尺寸飞机迎角和俯仰角速率响应的相似关系：

根据式(11)和(12)，可以得到其他参数的相似关系：

综上所述，缩比模型和全尺寸飞机纵向低阶等效系统参数的相似比例均可表示为缩比率k的幂次方。在横向低阶等效系统中也可以得到类似的结论。

优选的在一个实施例中，频域评定参数指的是飞行器的响应带宽，其定义如图2所示，根据飞行器频域响应特性曲线计算得到，以纵向俯仰姿态角响应带宽为例，图中ω_BW为在俯仰姿态对俯仰操纵输入的开环频率响应中，相位带宽

和幅值带宽

两者之中的较小者。其中，相位带宽

为相角裕度为45°(即相角等于-135°)时的频率；幅值带宽

为对应-180°相角的频率ω₁₈₀处的幅值加上6dB(数值上为ω₁₈₀幅值的2倍)后的对应频率。

飞机俯仰姿态角响应频域特性与其传递函数G_θ有关，如式(16)所示，可知其由一个比例环节G₁，一个一阶微分环节G₂、一个二阶振荡环节G₃、一个积分环节G₄以及一个时延环节G₅的频域特性叠加形成，如式(17)所示。根据自动控制原理，系统的幅频特性

和相频特性

由各基本环节的频域特性叠加得到，因此需首先针对(17)中的基本环节分析各自的频域特性。

比例环节的幅相频特性如式(18)所示，幅值增益

为定值，

相位差为0°。

一阶微分环节的幅相频特性如式(19)所示，可知，该环节的幅频特性

和相频特性

与时间常数

和激励信号频率ω有关。

可以证明，缩比模型一阶微分环节在k^-0.5ω处的幅相频特性与全尺寸飞机一阶微分环节在ω处的幅相频特性相同，如式(20)和(21)所示。

二阶振荡环节的幅相频特性如式(22)所示。可知，该环节的幅频特性

和相频特性

与阻尼比ζ_sp、自然频率ω_sp和激励信号频率ω有关：

可以证明，缩比模型该环节在k^-0.5ω处的幅相频特性与全尺寸飞机该环节在ω处的幅相频特性相同，如式(23)和(24)所示。

积分环节的幅相频特性如式(25)所示。幅值增益

为激励信号频率ω的倒数,相位差

为-90°。

时延环节的幅相频特性如式(26)所示。在整个频率范围内，其幅值增益

均为1，相位差

与时延τ和激励信号频率ω有关。

基于上述结论，可以证明，缩比模型俯仰姿态角响应在k^-0.5ω处的幅相频特性与全尺寸飞机俯仰姿态角响应在ω处的幅相频特性相同，如式(27)和(28)所示。

根据以上结论，可以证明缩比模型与-180°相位差对应的激励频率为全尺寸飞机对应激励频率的k^-0.5倍，如式(29)所示。

根据以上结论以及增益带宽

的定义，可以证明缩比模型增益带宽

为全尺寸飞机增益带宽的k^-0.5倍，如式(30)和(31)所示。

同理，根据式(27)和相位带宽

的定义，可以证明缩比模型相位带宽

为全尺寸飞机相位带宽的k^-0.5倍，如式(32)和(33)所示。

由式(29)和(31)可知，缩比模型俯仰姿态角响应带宽为全尺寸飞机带宽的k^-0.5倍，如式(34)所示。

ω_{BW_s}＝k^-0.5ω_{BW_f} (34)

步骤五，利用全尺寸飞机飞行品质评定参数，参照全尺寸飞行器飞行品质评定准则，评定全尺寸飞行器的飞行品质评定等级；

进一步的在一个实施例中，飞行品质评定准则分为纵向评定准则和横航向评定准则。

优选的在一个实施例中，纵向评定准则包括chalk准则、CAP准则和带宽准则，分别对应时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数。

优选的在一个实施例中，横航向评定准则包括滚转模态准则、荷兰滚模态准则和螺旋模态准则，主要考察时域评定参数和低阶等效系统评定参数。

在其他的实施例中，可根据需要增减飞行品质评定准则。

进一步的在一个实施例中，评定准则的指标要求由飞机的设计要求确定。

在一个具体实施例中，评定准则的指标要求与飞行状态有关，飞行品质评定准则针对A、B、C三种飞行阶段提出了不同的指标要求。其中，A种飞行阶段指的是高空高速飞行状态，B种飞行阶段指的是中空中速飞行状态，C种飞行阶段指的是低空低速的起降飞行状态，飞行品质评定过程中需根据飞行状态选取对应的评定指标。如图3(a)、(b)、(c)所示为A、B、C三种飞行阶段对应的CAP准则的指标要求，根据指标要求可以确定全尺寸飞行器的飞行品质评定等级。

综上，本发明提供的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质方法，相比于现有技术至少具有以下优势：

(1)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器的相似比例，获得飞行器品质评定的缩比模型，从而在进行飞行试验时更好的模拟全尺寸飞行器的飞行状态，获得更贴近全尺寸飞行器的飞行规律的数据，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(2)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器的飞行状态之间的关系，根据全尺寸飞行器的飞行状态确定缩比模型的飞行状态，从而获得更贴近全尺寸飞行器的飞行规律的数据，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(3)本发明通过确定缩比模型与全尺寸飞行器飞行品质评定参数的相似关系，保证了在获得缩比模型的飞行品质评定参数后，获得全尺寸飞行器飞行品质评定参数的准确性，进而使全尺寸飞行器的飞行品质评定结果更准确；

(4)本发明提出的基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，是一种可在飞行器设计早期阶段实现的考虑气动/运动一体化的飞行品质评定方法，来尽早地发现问题，为方案改动提供反馈，对提升研制效率和水平、降低研制风险、缩短研制周期具有重要意义；

(5)本发明提出的基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，与传统的基于风洞试验数据的数学仿真模型评定方法相比，可以较为逼真的反映全尺寸飞行器的机动运动过程、展示气动/运动耦合特性，飞行品质评定精度更高。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于全尺寸飞行器设计方案，加工制造一定缩比率下的缩比模型；所述的缩比模型与飞行器的外形相似，按照动力学相似系统设计准则，依照缩比率k进行设计制造，所述的动力学相似系统设计准则为：

式中，下标s表示缩比模型变量，下标f表示全尺寸飞行器变量，l为飞机尺寸，k为缩比率，S为机翼面积，ρ_b为飞行器材料密度，m为质量，J为惯性矩；

选取全尺寸飞行器飞行品质评定的飞行状态，按照弗劳德数相等的原则，确定缩比模型飞行试验的飞行状态；

在缩比模型试验飞行状态下开展试验，根据缩比模型纵向、横向和航向三轴运动的激励指令和时域响应，计算缩比模型飞行品质评定参数；

基于缩比模型与全尺寸飞行器的运动相似性，结合缩比模型相对于全尺寸飞行器的尺寸缩比率，对缩比模型的飞行品质评定参数进行相似变换，获得全尺寸飞机飞行品质评定参数；

利用全尺寸飞机飞行品质评定参数，参照全尺寸飞行器的飞行品质评定准则，评定全尺寸飞行器的飞行品质评定等级。

2.根据权利要求1所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的缩比模型与全尺寸飞行器飞行状态的相似设计准则如下：

式中，V为飞行器飞行速度、g为重力加速度、ρ_a为来流空气密度。

3.根据权利要求1所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的缩比模型与全尺寸飞行器飞行品质评定参数的相似关系包括时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数的相似关系。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述缩比模型与全尺寸飞机时域评定参数的相似比例为缩比率k的开方；所述缩比模型和全尺寸飞机低阶等效系统评定参数的相似比例均可表示为缩比率k的幂次方；所述缩比模型和全尺寸飞机频域评定参数的相似比例为缩比率k开方的倒数。

5.根据权利要求4所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的飞行品质评定准则分为纵向评定准则和横航向评定准则。

6.根据权利要求5所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的纵向评定准则包括chalk准则、CAP准则和带宽准则，分别对应时域评定参数、低阶等效系统评定参数和频域评定参数。

7.根据权利要求5所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的横航向评定准则包括滚转模态准则、荷兰滚模态准则和螺旋模态准则，主要考察时域评定参数和低阶等效系统评定参数。

8.根据权利要求1所述的一种基于缩比模型的全尺寸飞行器飞行品质评定方法，其特征在于，所述的飞行品质评定准则的指标要求由飞行器的设计要求确定。

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