CN117452973A - 一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于飞机控制技术领域，特别涉及一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法及装置。该方法包括步骤S1、给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；步骤S2、基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；步骤S3、当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；步骤S4、确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。本申请在保证飞机安全着陆的前提下，缩短着陆距离，提高运输机的任务执行效能。

Description

一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法及装置
技术领域
本申请属于飞机飞行控制领域，特别涉及一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法及装置。
背景技术
为提高任务执行性能，运输机需要以更短的距离在前线机场着陆。相对于常规着陆，短距着陆采用小速度与大下滑角进场，着陆航迹为一个二次曲线，省去了拉平段，可缩短13%左右的着陆距离。着陆航迹、着陆安全性、空中段飞行距离与飞机的重量、翼载荷、着陆构型的气动力、进场航迹角、接地速度、机场高度与温度等因素相关。着陆航迹优化设计，必须考虑各种设计约束，才能保证飞机着陆安全，并缩短着陆距离。
发明内容
为了缩短运输机前线机场着陆距离，提高飞机任务执行效能，本申请设计了一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法及装置。
本申请第一方面提供了一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，主要包括：
步骤S1、给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；
步骤S2、基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；
步骤S3、当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；
步骤S4、确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
优选的是，步骤S1中，给定的飞机着陆的接地速度大于等于地面最小操纵速度Vcg。
优选的是，步骤S2进一步包括：
步骤S21、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
步骤S22、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
步骤S23、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S24、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
步骤S25、根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
优选的是，步骤S21中，最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s。
优选的是，步骤S3进一步包括判断着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角是否满足限制条件，具体包括：
确定着陆接地点的俯仰角γId是否小于等于擦地角Atd，以及确定着陆接地点的迎角αId是否小于等于告警迎角Ayx；
当陆接地点的俯仰角γId小于等于擦地角Atd，以及着陆接地点的迎角αId小于等于告警迎角Ayx时，确定着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件。
优选的是，步骤S3中，所述短距着陆航迹模型为所述飞行距离与飞行高度的二次曲线函数，所述二次曲线函数的二次项系数由飞机进场航迹角与接地航迹角确定，一次项系数为飞机进场航迹角，常数项为飞机进场高度。
本申请第二方面提供了一种运输机前线机场短距着陆航迹优化装置，主要包括：
优化变量给定模块，用于给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；
约束参数计算模块，用于基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；
优化目标计算模块，用于当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；
循环控制模块，用于确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
优选的是，所述约束参数计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
本申请能够优化飞机短距着陆航迹，缩短着陆距离。
附图说明
图1是本申请运输机前线机场短距着陆航迹优化方法的一优选实施例的流程图。
图2为本申请飞机短距着陆航迹曲线示意图。
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。
本申请第一方面提供了一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
本申请的优化目标是飞行距离Lxm，即飞机从进场准备降落到着陆的水平距离，优化变量为接地速度VId与飞机进场航迹角θap，理论上，飞行距离越短越好，通常设定优化目标值，当接地速度VId与飞机进场航迹角θap计算的飞行距离小于优化目标值时，认为完成航迹优化。
在一些可选实施方式中，步骤S1中，给定的飞机着陆的接地速度VId大于等于地面最小操纵速度Vcg。
在对步骤S1的优化目标赋初值时，以及对步骤S1的优化目标进行迭代修改时，通常需要对接地速度VId进行限制，不能小于地面最小操纵速度Vcg，地面最小操纵速度Vcg通常为1.05Vs，Vs为飞机的失速速度，为既定值，一般接地速度VId被设置为与飞机进场速度一致，均为1.125Vs，约为54.08m/s。
步骤S2、基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角。
该步骤中，之所以计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角，主要是为了对飞机降落过程进行约束，判断这两个参数是否满足约束条件。
在一些可选实施方式中，步骤S2进一步包括：
步骤S21、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
步骤S22、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
步骤S23、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S24、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
步骤S25、根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
在一些可选实施方式中，步骤S21中，最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s。
另外需要说明的是，在步骤S24中，确定着陆接地点的迎角αId还需要其他参数，例如机场高度、温度等参数，计算着陆接地点的迎角属于本领域的常规计算过程，不在本申请中进行详细描述。最后在步骤S25中，着陆接地点的迎角αId与接地航迹角θId相加即可得到着陆接地点的俯仰角γId。
步骤S3、当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离。
在一些可选实施方式中，步骤S3进一步包括判断着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角是否满足限制条件，具体包括：
确定着陆接地点的俯仰角γId是否小于等于擦地角Atd，以及确定着陆接地点的迎角αId是否小于等于告警迎角Ayx；
当陆接地点的俯仰角γId小于等于擦地角Atd，以及着陆接地点的迎角αId小于等于告警迎角Ayx时，确定着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件。
该实施例中，通常在航迹优化设计前，需要给定擦地角Atd及告警迎角Ayx，擦地角Atd一般为13°，告警迎角Ayx一般为12.7°，具体可以自行设计。
在一些可选实施方式中，步骤S3中，所述短距着陆航迹模型为所述飞行距离与飞行高度的二次曲线函数，所述二次曲线函数的二次项系数由飞机进场航迹角与接地航迹角确定，一次项系数为飞机进场航迹角，常数项为飞机进场高度。
如图2所示，本申请构建了二次曲线函数的短距着陆航迹模型：
Y=aX2+bX+H；
其中，Y为着陆航迹的高度值，X为着陆的水平位移值，航迹起始点（0，H）为着陆安全高度坐标，H的标准值为15m，该点的速度即前述的飞机进场速度，航迹角为前述的飞机进场航迹角θap；航迹终点（Lx，0）为着陆接地点，该点的速度为前述的接地速度VId，航迹角为前述的接地航迹角θId，Lx为着陆空中段飞行距离，即优化目标。
在该模型中，二次项系数a为：a=((θap)2-(θId)2)/(4H)，一次项系数b=θap。着陆过程中的航迹角θ为：θ=2aX+b；优化目标Lx为：Lx=-2H/(θap-θId)。模型中的角度变量单位为弧度。
步骤S4、确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
该步骤中，当满足所有设计约束与设计要求，输出优化航迹，否则返回步骤S1，修改并更新飞机进场航迹角与接地速度，通常仅需要修改飞机进场航迹角即可，然后进行下一轮计算。
另外需要说明的是，基于本申请提供的短距着陆航迹模型，可以计算多个离散的X坐标对应的Y值及在对应的坐标点（X,Y）下的航迹角、下沉速度、法向过载、升力系数、迎角、俯仰姿态角、推重比、升阻比与所需的推力等，进而形成短距着陆航迹曲线，指导飞机飞行。
本申请在保证飞机安全着陆的前提下，缩短着陆距离，提高运输机的任务执行效能。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的运输机前线机场短距着陆航迹优化装置，主要包括：
优化变量给定模块，用于给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；
约束参数计算模块，用于基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；
优化目标计算模块，用于当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；
循环控制模块，用于确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
在一些可选实施方式中，所述约束参数计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
本申请能够优化飞机短距着陆航迹，缩短着陆距离。
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 (8)

1.一种运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1、给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；
步骤S2、基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；
步骤S3、当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；
步骤S4、确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
2.如权利要求1所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，步骤S1中，给定的飞机着陆的接地速度大于等于地面最小操纵速度Vcg。
3.如权利要求1所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：
步骤S21、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
步骤S22、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
步骤S23、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S24、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
步骤S25、根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
4.如权利要求3所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，步骤S21中，最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s。
5.如权利要求1所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，步骤S3进一步包括判断着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角是否满足限制条件，具体包括：
确定着陆接地点的俯仰角γId是否小于等于擦地角Atd，以及确定着陆接地点的迎角αId是否小于等于告警迎角Ayx；
当陆接地点的俯仰角γId小于等于擦地角Atd，以及着陆接地点的迎角αId小于等于告警迎角Ayx时，确定着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件。
6.如权利要求1所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化方法，其特征在于，步骤S3中，所述短距着陆航迹模型为所述飞行距离与飞行高度的二次曲线函数，所述二次曲线函数的二次项系数由飞机进场航迹角与接地航迹角确定，一次项系数为飞机进场航迹角，常数项为飞机进场高度。
7.一种运输机前线机场短距着陆航迹优化装置，其特征在于，包括：
优化变量给定模块，用于给定优化变量的初始值，所述优化变量包括飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角；
约束参数计算模块，用于基于给定的优化变量，计算着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角；
优化目标计算模块，用于当着陆接地点的迎角及着陆接地点的俯仰角满足限制条件时，基于短距着陆航迹模型计算飞机自进场至着陆的飞行距离；
循环控制模块，用于确定所述飞行距离是否小于优化目标值，如不小于优化目标值，则修改所述优化变量，如小于优化目标值，则输出优化后的飞机着陆的接地速度及飞机进场航迹角。
8.如权利要求7所述的运输机前线机场短距着陆航迹优化装置，其特征在于，所述约束参数计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的俯仰角γId。
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