CN117421830A - 以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置 - Google Patents

以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请属于飞机机翼位置设计领域，特别涉及一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置。该方法包括步骤S1、确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；步骤S2、确定飞机的静稳定裕度；步骤S3、确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；步骤S4、基于静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；步骤S5、根据机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；步骤S6、基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；重复步骤S3至步骤S6，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。本申请具有计算模型精细，数值求解更精确的优点。

Description

以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置
技术领域
本申请属于飞机机翼位置设计领域，特别涉及一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置。
背景技术
飞机的后重心位置超出重心后限设计值，将会导致飞机的静稳定性下降，影响到飞行安全。调整机翼安装位置是解决该问题的有效措施。精确计算机翼位置调整量是优化布局、提高飞机性能的重要技术。后重心位置随设计进程不断更新，为保证飞机的纵向静稳定裕度，机翼位置也要随之做相应的调整。但对机翼位置调整会引起飞机后重心、翼身组合体气动压力中心与平尾尾力臂的进一步变化，以上因素又会导致飞机焦点位置与纵向静稳定裕量的变化，给飞机设计带来了难度。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请设计了一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法及装置，可解决后重心超出重心后限设计值而导致的飞机纵向静稳定型问题，为优化机翼安装位置提供技术支持。
本申请第一方面提供了一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，主要包括：
步骤S1、确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
步骤S2、基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度；
步骤S3、确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；
步骤S4、基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；
步骤S5、根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
步骤S6、基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；
重复步骤S3至步骤S6，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
优选的是，步骤S1中，初始飞机构型的飞机气动焦点位置为焦点位置设计值，初始飞机构型的飞机后重心位置为初始飞机构型的飞机后重心实际值。
优选的是，步骤S4中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。
优选的是，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机气动焦点位置包括：
步骤S51、基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值；
步骤S52、基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量；
步骤S53、基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
优选的是，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机后重心位置包括：
步骤S54、基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子；
步骤S55、基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量；
步骤S56、基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
优选的是，步骤S5进一步包括：
步骤S57、确定飞机后重心后移量累计值以及机翼后移量累计值；
步骤S58、确定最终构型飞机的以机翼平均气动弦前缘点为参考的飞机后重心位置。
本申请第二方面提供了一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，主要包括：
初始飞机构型参数确定模块，用于确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
静稳定裕度确定模块，用于基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度；
静稳定裕度差量确定模块，用于确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；
机翼后移量确定模块，用于基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；
新飞机构型参数确定模块，用于根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
新飞机构型的静稳定裕度确定模块，用于基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；
循环控制模块，用于循环调用静稳定裕度差量确定模块、机翼后移量确定模块、新飞机构型参数确定模块以及新飞机构型的静稳定裕度确定模块，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
优选的是，在所述机翼后移量确定模块中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。
优选的是，所述新飞机构型参数确定模块包括：
升力线斜率相对值确定单元，用于基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值；
飞机气动焦点位置变化量确定单元，用于基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量；
飞机气动焦点位置确定单元，用于基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
优选的是，所述新飞机构型参数确定模块包括：
结构重量因子确定单元，用于基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子；
飞机后重心后移量确定单元，用于基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量；
飞机后重心位置确定单元，用于基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
本申请具有计算模型精细，数值求解更精确的优点。本申请采用数值求解算法，不断更新机翼位置与飞机后重心位置，能够保证飞机具有良好的纵静稳定性。
附图说明
图1是本申请以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
通常飞机总体气动设计人员依据相关适航条款的要求，结合飞机在重量重心包线内的操稳品质计算，将飞机重心划分为前重心、中等重心和后重心，本申请为提供良好的纵静稳定性而进行机翼位置优化设计，引入的重心均为后重心，另外需要说明的是，本申请所描述的后重心位置通常指相对机翼平均气动弦前缘点的位置，即相对位置而非绝对位置，单位采用平均气动弦长Ca表示，例如飞机平均气动弦长Ca为6.1m，后重心位置设计值为0.38Ca。
本申请第一方面提供了一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置。
举例来说，针对某型涡扇动力运输机，其飞机空机重量WZ为60t，机翼结构重量Wwing为18t，机翼结构重量因子t为0.3。机翼平均气动弦长Ca为6.1m，飞机后重心位置设计值为0.38Ca，纵向静稳定裕度Knb，也即是静稳定裕度目标值为0.15Ca，飞机气动焦点位置XFb的设计值为0.53Ca。
飞机初始构型下，后重心实际值发生了变化，其位置为0.48Ca。
在一些可选实施方式中，步骤S1中，初始飞机构型的飞机气动焦点位置为焦点位置设计值，初始飞机构型的飞机后重心位置为初始飞机构型的飞机后重心实际值。
即飞机气动焦点位置XFb=0.53Ca，飞机后重心位置Xcg=0.48Ca。
步骤S2、基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度。
该步骤通过以下公式计算飞机的静稳定裕度Kn：
Kn=XFb-Xcg；
代入上述参数，得飞机的静稳定裕度Kn为0.05 Ca。
步骤S3、确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量。
在该步骤中，纵向静稳定裕度目标值如前所述，为Knb=0.15Ca，则静稳定裕度差量ΔKnb=Kn-Knb；
代入上述参数，得静稳定裕度差量ΔKnb为-0.1 Ca。
步骤S4、基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量。
在一些可选实施方式中，步骤S4中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。其中，设定倍数取值范围为-1.25~-1.35，可以根据设计周期或设计精准度自行设定，优选为-1.3，则机翼后移量的计算模型为：
ΔXwing=-1.3*ΔKnb；
代入上述参数，得机翼后移量ΔXwing为0.13 Ca。
步骤S5、根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置。
该步骤主要根据机翼后移量ΔXwing来计算新飞机构型的飞机气动焦点位置XFb与飞机后重心位置Xcg。
在一些可选实施方式中，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机气动焦点位置XFb包括：
步骤S51、基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值。
在该步骤中，首先采用CFD计算飞机与机翼的升力线斜率，根据上述参数，经CFD计算，得飞机的升力线斜率为0.1，机翼的升力线斜率为0.088，由此确定的升力线斜率相对值k为0.88。
步骤S52、基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量。
该步骤通过以下公式计算飞机气动焦点位置变化量：
ΔXF=k*ΔXwing；
代入上述参数，得飞机气动焦点位置变化量ΔXF为0.1144 Ca。
步骤S53、基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
该步骤中，飞机气动焦点位置由初始值0.53Ca，加上飞机气动焦点位置变化量ΔXF，得新飞机构型的飞机气动焦点位置XFb为0.6444Ca。
在一些可选实施方式中，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机后重心位置包括：
步骤S54、基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子。如前所述，该步骤中，机翼结构重量因子t=Wwing/WZ=0.3。
步骤S55、基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量，该步骤通过以下公式计算飞机后重心后移量：
ΔXcg=t*ΔXwing；
代入上述参数，得飞机后重心后移量ΔXcg为0.039 Ca。
步骤S56、基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
该步骤中，飞机后重心位置由初始值0.48Ca，加上飞机后重心后移量ΔXcg，得新飞机构型的飞机后重心位置Xcg为0.519Ca。
步骤S6、基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度。
该步骤中，新飞机构型的静稳定裕度计算方法与步骤S2引入的公式一致，为Kn=XFb-Xcg；将新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置代入公式中，得的新飞机构型的静稳定裕度Kn为0.1254 Ca。
重复步骤S3至步骤S6，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
如经过迭代计算，确定机翼后移量累计值为0.172413Ca时，新构型飞机的纵向静稳定裕度等于0.15 Ca，等于静稳定裕度目标值，焦点位置为0.681724Ca。
经过上述迭代计算，机翼后移量不断变化，新构型飞机的飞机后重心位置也在不断变化，最后，还需要确定最终的飞机后重心位置。例如在一些可选实施方式中，步骤S5进一步包括：
步骤S57、确定飞机后重心后移量累计值以及机翼后移量累计值；
步骤S58、确定最终构型飞机的以机翼平均气动弦前缘点为参考的飞机后重心位置。
在步骤S57中，确定的飞机后重心后移量累计值为ΔXwingz，确定的机翼后移量累计值为ΔXcgz。则在步骤S58中，飞机后重心位置Xcgp=Xcg0-ΔXwingz+ΔXcgz，其中，Xcg0为飞机后重心位置设计值为0.38Ca。经计算，后重心位置为0.359311Ca（相对于新飞机构型的机翼平均气动弦前缘点）。
本申请给出了精确计算机翼位置调整量的算法与计算流程，该计算模型可模拟机翼位置改变带来的飞机后重心与焦点的变化，相对于工程计算方法，本申请具有计算模型精细，数值求解更精确的优点。本申请采用数值求解算法，不断更新机翼位置与飞机后重心位置，能够保证飞机具有良好的纵静稳定性。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，主要包括：
初始飞机构型参数确定模块，用于确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
静稳定裕度确定模块，用于基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度；
静稳定裕度差量确定模块，用于确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；
机翼后移量确定模块，用于基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；
新飞机构型参数确定模块，用于根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
新飞机构型的静稳定裕度确定模块，用于基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；
循环控制模块，用于循环调用静稳定裕度差量确定模块、机翼后移量确定模块、新飞机构型参数确定模块以及新飞机构型的静稳定裕度确定模块，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
在一些可选实施方式中，在所述机翼后移量确定模块中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。
在一些可选实施方式中，所述新飞机构型参数确定模块包括：
升力线斜率相对值确定单元，用于基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值；
飞机气动焦点位置变化量确定单元，用于基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量；
飞机气动焦点位置确定单元，用于基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
在一些可选实施方式中，所述新飞机构型参数确定模块包括：
结构重量因子确定单元，用于基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子；
飞机后重心后移量确定单元，用于基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量；
飞机后重心位置确定单元，用于基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，包括：
步骤S1、确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
步骤S2、基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度；
步骤S3、确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；
步骤S4、基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；
步骤S5、根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
步骤S6、基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；
重复步骤S3至步骤S6，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
2.如权利要求1所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，步骤S1中，初始飞机构型的飞机气动焦点位置为焦点位置设计值，初始飞机构型的飞机后重心位置为初始飞机构型的飞机后重心实际值。
3.如权利要求1所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，步骤S4中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。
4.如权利要求1所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机气动焦点位置包括：
步骤S51、基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值；
步骤S52、基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量；
步骤S53、基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
5.如权利要求1所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，步骤S5中，确定新飞机构型的飞机后重心位置包括：
步骤S54、基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子；
步骤S55、基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量；
步骤S56、基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
6.如权利要求5所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：
步骤S57、确定飞机后重心后移量累计值以及机翼后移量累计值；
步骤S58、确定最终构型飞机的以机翼平均气动弦前缘点为参考的飞机后重心位置。
7.一种以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，其特征在于，包括：
初始飞机构型参数确定模块，用于确定初始飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
静稳定裕度确定模块，用于基于飞机气动焦点位置及飞机后重心位置确定飞机的静稳定裕度；
静稳定裕度差量确定模块，用于确定相比于纵向静稳定裕度目标值的静稳定裕度差量；
机翼后移量确定模块，用于基于所述静稳定裕度差量确定新飞机构型的机翼后移量；
新飞机构型参数确定模块，用于根据新飞机构型的所述机翼后移量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置；
新飞机构型的静稳定裕度确定模块，用于基于新飞机构型的飞机气动焦点位置及飞机后重心位置计算新飞机构型的静稳定裕度；
循环控制模块，用于循环调用静稳定裕度差量确定模块、机翼后移量确定模块、新飞机构型参数确定模块以及新飞机构型的静稳定裕度确定模块，直至计算的静稳定裕度大于等于静稳定裕度目标值，确定机翼后移量累计值。
8.如权利要求7所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，其特征在于，在所述机翼后移量确定模块中，所述静稳定裕度差量乘以设定倍数获得新飞机构型的机翼后移量。
9.如权利要求7所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，其特征在于，所述新飞机构型参数确定模块包括：
升力线斜率相对值确定单元，用于基于飞机的升力线斜率与机翼的升力线斜率确定升力线斜率相对值；
飞机气动焦点位置变化量确定单元，用于基于所述升力线斜率相对值及所述机翼后移量计算飞机气动焦点位置变化量；
飞机气动焦点位置确定单元，用于基于所述飞机气动焦点位置变化量确定新飞机构型的飞机气动焦点位置。
10.如权利要求7所述的以静稳定裕度为约束的机翼位置调整量确定装置，其特征在于，所述新飞机构型参数确定模块包括：
结构重量因子确定单元，用于基于机翼结构重量与飞机空机重量确定机翼的结构重量因子；
飞机后重心后移量确定单元，用于基于所述结构重量因子及所述机翼后移量确定飞机后重心后移量；
飞机后重心位置确定单元，用于基于所述飞机后重心后移量确定新飞机构型的飞机后重心位置。
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