CN114896681A - 一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,该方法基于耦合盘旋爬升动作直接获取飞机的爬升特性,在试飞过程中,通过调整滚转角,改变飞机的当量重量,获取飞机不同重量点的爬升性能。同时,该方法通过实际试飞获取源数据,不依赖于发动机的台架数据和飞机的风洞试验数据,因此,该方法能高效且准确的获取飞机目标重量下的爬升率,对飞机后续的持续试飞以及性能指标的完成有积极的意义和深远的影响。
Description
技术领域
本发明属于航空航天安全飞行技术领域,具体地说,涉及一种基于耦合盘旋爬升试飞 数据的爬升性能修正方法。
背景技术
飞机爬升率对飞机的升限、航时和航程等性能有重要的影响,直接关系到飞机重大性 能指标的可达性。在调整试飞阶段,由于飞机投产时间的约束、试飞成本的制约、飞行架 次数量的限制,飞机各个工况、各个重量点的爬升率试飞数据量不足,难以准确支撑飞机 相关性能的预测,造成飞机状态调整方向不明确,关键战技指标制定不合理等。因此,在试飞过程中,为了更多的得到飞机不同样本点(工况和重量点)对应的爬升性能,解决因 为数据短缺影响试飞进度的现场问题,需要从不同飞行过程获取飞机的爬升性能。
目前,许多专家学者提出了关于从不同飞行过程中获得飞机的爬升性能方法,其中, 从水平直线加速法、直接爬升法以及水平直线加速法和直接爬升法的衍生方法是最为典型 的方法。例如,冯宇鹏等提出了利用直接爬升法得到的试飞数据,修正飞机不同重量下的 爬升性能。但是,以往的方法有以下不足:在试飞过程中,飞行的试飞工况并不是唯一的, 获取特定工况下的试飞数据面临很大的难度,并不能在同一架次的飞行中高效获取多组试 飞数据。因此,在试飞中,爬升状态点数据不足对飞机相关性能的预测带来很大的不确定 性。
发明内容
本发明针对现有技术的爬升性能源数据量不足的问题,提出了一种基于耦合盘旋爬升 试飞数据的爬升性能修正方法,该方法基于耦合盘旋爬升动作直接获取飞机的爬升特性, 在试飞过程中,通过调整滚转角,改变飞机的当量重量,获取飞机不同重量点的爬升性能。 同时,该方法通过实际试飞获取源数据,不依赖于发动机的台架数据和飞机的风洞试验数 据,因此,该方法能高效且准确的获取飞机目标重量下的爬升率,对飞机后续的持续试飞 以及性能指标的完成有积极的意义和深远的影响。
本发明具体实现内容如下:
本发明提出了一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,具体包括以下步 骤:
步骤1:进行试飞,在相同高度,速度和重量的情况下,选取不同的滚转角n个,建立n个稳定盘旋爬升,获取飞机的滚转角和爬升率;
步骤2:构建稳定盘旋爬升力学模型和稳定爬升力学模型;
步骤3:进行试飞数据分析;
步骤4:得到全包线的爬升率。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤1具体包括以下步骤:
步骤1.1:爬升率数据获取;
步骤1.2:过载数据获取。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤1具体操作为:
在选定的高度、速度、重量和滚转角工况下进行耦合盘旋爬升动作的爬升率计算,具体 计算公式为:
其中,△H为选定的高度下±100m的值,△T为爬升该高度区间所需的时间,Vy为该高度下的耦合盘旋爬升的爬升率。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤1.2的具体操作为:
选定工况耦合盘旋爬升动作的过载计算公式为:
其中,△Ti为数据采集时间间隔,△nfi为数据采集间隔的过载,nf为该工况下的过载。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤2具体包括以下步骤:
步骤2.1:建立稳定盘旋爬升力学模型
稳定盘旋爬升的力学模型,具体的方程组如下:
Lcosφ=Gcosθ (3)
T=D+Gsinθ (4)
CD=CD0+A·CL2 (7)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为 密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致 阻力因子,为滚转角,θ为上升角,nf为法向过载,Vy为爬升率;
步骤2.2:建立稳定爬升力学模型:
稳定爬升力学模型,具体的方程组如下:
L=Gcosθ (10)
T=D+Gsinθ (11)
CD=CD0+A·CL2 (14)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为 密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致 阻力因子,θ为上升角,Vy为爬升率。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤3具体包括以下步骤:
步骤3.1:根据步骤1.1和步骤1.2的数据分析,得到重量-爬升率-过载的矩阵;
步骤3.2:计算稳定盘旋爬升-稳定爬升性能关系;
步骤3.3:确定稳定盘旋爬升的函数关系;
步骤3.4:修正爬升率。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤3.2具体操作为:
依据式(3)~式(15),得到稳定盘旋爬升-稳定爬升的函数关系为:
其中,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,G为飞机的重力,Vy为爬升率,V为速度,ρ为密度,S为参考面积,CD0为型阻,A为升致阻力因子,nf为法向过载;
联立方程(16)~(17),得到:
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤3.3具体包括以下步骤:
综上,式(19)-式(20),可得:
即
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤3.4具体包括以下操作:
通过稳定盘旋爬升试飞数据,代入式(24)修正稳定爬升状态的爬升率。
为了更好地实现本发明,进一步地,所述步骤4具体包括以下步骤:
步骤4.1:不同速度的情况下,按照步骤1-步骤3的操作得到相同高度和不同速度情况 下的爬升率;
步骤4.2:按照步骤4.1的操作进行试飞数据的统计和分析计算,得到不同高度和不同 速度下的重量-爬升率-过载函数,进而得到高度-速度全包线范围内的爬升率。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果:
本发明基于耦合盘旋爬升动作直接获取飞机的爬升特性,在试飞过程中,通过调整滚 转角,改变飞机的当量重量,获取飞机不同重量点的爬升性能。同时,该方法通过实际试 飞获取源数据,不依赖于发动机的台架数据和飞机的风洞试验数据,因此,该方法能高效 且准确的获取飞机目标重量下的爬升率,对飞机后续的持续试飞以及性能指标的完成有积 极的意义和深远的影响。
附图说明
图1为耦合盘旋爬升-爬升率(稳定爬升)修正方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,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,应当理解,所描述的实施例仅仅是本 发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,因此不应被看作是对保护范围的限定。基于 本发明中的实施例,本领域普通技术工作人员在没有做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。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“相连”、 “连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可 以是机械连接,也可以是电连接;也可以是直接相连,也可以是通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1:
本实施例提出了一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,具体包括以下 步骤:
步骤1:进行试飞,在相同高度,速度和重量的情况下,选取不同的滚转角n个,建立n个稳定盘旋爬升,获取飞机的滚转角和爬升率;
步骤2:构建稳定盘旋爬升力学模型和稳定爬升力学模型;
步骤3:进行试飞数据分析;
步骤4:得到全包线的爬升率。
实施例2:
本实施例在上述实施例1的基础上,基于耦合盘旋爬升在同一飞行架次完成不同重量 点的爬升率修正,见图1,其流程主要分为:1)选取盘旋爬升的高度和速度及飞行状态;2) 统计计算出不同滚转角下对应的爬升率;3)根据已有盘旋爬升的飞行性能修正出目标状态 的爬升率;4)改变速度,重复2)~3)的步骤,辨识出相同高度,不同速度下,目标状态 的爬升率;5)改变高度,重复2)~5)的步骤,辨识出高度-速度全包线范围内,目标状态的爬升率。
1.试飞方法
在相同高度,速度和重量的情况下,选取不同的滚转角n个,建立n个稳定盘旋爬升,获 取飞机的滚转角和爬升率。
1.1爬升率数据获取
选定工况(高度、速度、重量和滚转角等,下同)耦合盘旋爬升动作的爬升率计算公式 为:
其中,△H为该高度值±100m,△T为爬升该高度区间所需的时间,Vy为该高度下的耦合 盘旋爬升的爬升率。
1.2过载数据获取
选定工况耦合盘旋爬升动作的过载计算公式为:
其中,△Ti为数据采集时间间隔,△nfi为数据采集间隔的过载,nf为该工况下的过载。
2.力学模型
2.1稳定盘旋爬升力学模型
稳定盘旋爬升的力学模型,具体的方程组如下:
Lcosφ=Gcosθ (3)
T=D+Gsinθ (4)
CD=CD0+A·CL2 (7)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为 密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致 阻力因子,φ为滚转角,θ为上升角,nf为法向过载,Vy为爬升率。
2.2稳定爬升力学模型
稳定爬升力学模型,具体的方程组如下:
L=Gcosθ (10)
T=D+Gsinθ (11)
CD=CD0+A·CL2 (14)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为 密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致 阻力因子,θ为上升角,Vy为爬升率。
3.试飞数据分析
3.1统计数据
根据1.1节和1.2节的数据分析方法,可得重量-爬升率-过载的矩阵,见表1。
表1重量-爬升率-过载矩阵
序号 | 高度 | 速度 | 重量 | 爬升率 | 过载 |
1 | H | V | G | Vy<sub>1</sub> | n<sub>f1</sub> |
2 | H | V | G | Vy<sub>2</sub> | nf2 |
··· | ··· | ··· | ··· | ··· | ··· |
3.2稳定盘旋爬升-稳定爬升性能关系
依据式(3)~式(15),可知稳定盘旋爬升-稳定爬升的函数关系为:
其中,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,G为飞机的重力,Vy为爬升率,V为速度,ρ为密度,S为参考面积,CD0为型阻,A为升致阻力因子,nf为法向过载。
联立方程(16)~(17),可得:
3.3稳定盘旋爬升的函数关系
根据式(18)可知:飞机在不同滚转角(φ1和φ2)进行稳定盘旋,则满足关系式:
滚转角φ1
滚转角φ2
综上,式(19)-式(20),可得:
即
3.4修正爬升率
当滚转角φ1=0°,飞机处于稳定爬升阶段,过载nf=1,带入式(22),得:
当稳定盘旋爬升的滚转角为φ,式(23)即为:
因此,通过稳定盘旋爬升试飞数据,代入式(24)修正稳定爬升状态的爬升率,见表2。
表2修正稳定爬升阶段的爬升率
高度 | 速度 | 重量 | 爬升率 | 过载 | 爬升率(稳定爬升) |
H | V | G | Vy<sub>φ</sub> | n<sub>fφ</sub> | Vy |
4.全包线的爬升率
4.1相同高度,不同速度
为了得到辨识出相同高度,不同速度下重量-爬升率-过载函数。可在不同速度的情况下, 按照1节、2节和3节的方法进行试飞数据的统计和分析计算。可以得到相同高度和不同速 度情况下的爬升率(稳定爬升),见表3。
表3相同高度,不同速度下的爬升率(稳定爬升)
高度 | 重量 | 速度 | 爬升率 | 过载 | 爬升率(稳定爬升) |
H | G | V<sub>1</sub> | V<sub>yφ1</sub> | n<sub>fφ1</sub> | Vy<sub>1</sub> |
H | G | V<sub>2</sub> | V<sub>yφ2</sub> | n<sub>fφ2</sub> | Vy<sub>2</sub> |
… | … | … | … | … | … |
4.2全包线范围
为了得到辨识出全包线范围(即不同高度,不同速度)内的重量-爬升率-过载函数。在 不同高度下,按照4.1节的方法进行试飞数据的统计和分析计算,得到高度-速度全包线范 围内的爬升率(稳定爬升),见表4。
表4高度-速度全包线的爬升率(稳定爬升)
高度 | 重量 | 速度 | 爬升率 | 过载 | 爬升率(稳定爬升) |
H<sub>1</sub> | G | V<sub>1</sub> | V<sub>yφ1</sub> | n<sub>fφ1</sub> | Vy<sub>1</sub> |
H<sub>1</sub> | G | V<sub>2</sub> | V<sub>yφ2</sub> | n<sub>fφ2</sub> | Vy<sub>2</sub> |
… | … | … | … | … | … |
H<sub>2</sub> | G | V<sub>1</sub> | V<sub>yφ1</sub> | n<sub>fφ1</sub> | Vy<sub>1</sub> |
H<sub>2</sub> | G | V<sub>2</sub> | V<sub>yφ2</sub> | n<sub>fφ2</sub> | Vy<sub>2</sub> |
… | … | … | … | … | … |
本实施例的其他部分与上述实施例1相同,故不再赘述。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据 本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范 围之内。
Claims (10)
1.一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
步骤1:进行试飞,在相同高度,速度和重量的情况下,选取不同的滚转角n个,建立n个稳定盘旋爬升,获取飞机的滚转角和爬升率;
步骤2:构建稳定盘旋爬升力学模型和稳定爬升力学模型;
步骤3:进行试飞数据分析;
步骤4:得到全包线的爬升率。
2.如权利要求1所述的一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,其特征在于,所述步骤1具体包括以下步骤:
步骤1.1:爬升率数据获取;
步骤1.2:过载数据获取。
5.如权利要求4所述的一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,其特征在于,所述步骤2具体包括以下步骤:
步骤2.1:建立稳定盘旋爬升力学模型
稳定盘旋爬升的力学模型,具体的方程组如下:
L cosφ=G cosθ (3)
T=D+G sinθ (4)
CD=CD0+A·CL2 (7)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致阻力因子,为滚转角,θ为上升角,nf为法向过载,Vy为爬升率;
步骤2.2:建立稳定爬升力学模型:
稳定爬升力学模型,具体的方程组如下:
L=G cosθ (10)
T=D+G sinθ (11)
CD=CD0+A·CL2 (14)
其中,L为飞机的升力,G为飞机的重力,T为发动机的推力,D为飞机的阻力,ρ为密度,V为速度,S为参考面积,CL为升力系数,CD为阻力系数,CD0为型阻,A为升致阻力因子,θ为上升角,Vy为爬升率。
6.如权利要求5所述的一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,其特征在于,所述步骤3具体包括以下步骤:
步骤3.1:根据步骤1.1和步骤1.2的数据分析,得到重量-爬升率-过载的矩阵;
步骤3.2:计算稳定盘旋爬升-稳定爬升性能关系;
步骤3.3:确定稳定盘旋爬升的函数关系;
步骤3.4:修正爬升率。
10.如权利要求9所述的一种基于耦合盘旋爬升试飞数据的爬升性能修正方法,其特征在于,所述步骤4具体包括以下步骤:
步骤4.1:不同速度的情况下,按照步骤1-步骤3的操作得到相同高度和不同速度情况下的爬升率;
步骤4.2:按照步骤4.1的操作进行试飞数据的统计和分析计算,得到不同高度和不同速度下的重量-爬升率-过载函数,进而得到高度-速度全包线范围内的爬升率。
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