飞机下滑对大气紊流的动力学响应

第31卷第7期计算机仿真2014年7月文章编号:1006-9348(2014)07-0041-04飞机下滑对大气紊流的动力学响应宋岩,陶杨2,茅乐1,岳艳丽(1.海军航空工程学院基础实验部,山东烟台264001;2海军航空工程学院研究生管理大队,山东烟台264001)摘要:为了仿真大气紊流下的飞机着舰下滑过程中的动力学响应,引入了三维的大气素流模型并将紊流速度以及紊流速度梯度的影响加入到飞机下滑过程的动力学模型中,建立了过程中飞机的六自由度飞行动力学模型。同时引入了 Von Karman大气紊流模型并生成了工程化的紊流风场。在建模基础上,分析了紊流速度和紊流速度梯度对飞机的影响并采用数值方法仿真了飞机下滑穿越紊流的全过程。结果表明,大气紊流的存在会造成飞机的飞行姿态无法保持稳定,并会最终导致实际着舰点偏离理想着舰点,影响飞机的安全回收关键词:大气紊流;紊流速度;紊流速度梯度;动力学模型中图分类号:V212.11文献标识码:BThe Dynamic Responses of the Aircrafts Glidethrough the Atmospheric TurbulenceSONG Yan', TAO Yang, MAO Le, YUE Yan-Ii'(1. Basic Test Department, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai Shandong 264001,China2. Postgraduate Training Brigade, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai Shandong 264001, ChinaABSTRACT: In order to simulate the dynamic responses of the aircraft's approaching and landing on the carrierthrough the atmospheric turbulence, a flight dynamic model of six-degree-of-freedom aircraft is presented. The VonKarman atmospheric turbulence model is implemented, and the engineered turbulence flowthe influence of the velocity and its grads of turbulence is analyzed and the numerical methods are conducted to simu-late the process of the aircrafts flight through the turbulence. The result shows that the existing of the atmospheric tur-bulence will affect the stability of the aircrafts flight posture, and the real landing point will be apart from the idealone and the safety of the aircraft's recovering will be affectedKEYWORDS: Atmospheric turbulence; Velocity of turbulence; Velocity grads of turbulence; Dynamic model1引言过仿真分析了仅在单一存在大气紊流条件下飞机下滑过程航空母舰是一个尺度有限的海上浮动平台,飞机在航母的动力学特性。上的进场着舰是一种要求非常严格的飞行任务。一直以来飞机进舰着舰安全性是相关研究者最为关心的问题。而2大气紊流模型在该阶段,飞机会遇到大气紊流的影响。开展大气紊流对飞大气紊流是指叠加在平均风上的连续随机脉动,它和风机进舰着舰安全性影响的研究,对于保证飞机的着舰安全、叠加而成的风场是对飞机正常飞行作业有重要影响的一类提高着舰精度十分必要。国外在这一方面起步较早,尤其是大气、空间环境2。目前有两个较成熟的大气紊流模型,美国针对飞机海上作业风场对飞机着舰的影响进行了大量 Dryden模型和 Von Karman模型。虽然按照NS方程连续的试验,并且得出了一系列相应的飞行品质标准。而国内方程及其它一些条件紊流是确定性的然而实际上不可能研究多以舰尾流14和侧风的影响为主对大气素流产生则直接积分来计算紊流紊流现象必须用随机过程理论和方法多为建模方面的工作(6,但对其造成的影响研究较少。来描述。比较两种常用的紊流模型, Von Karman模型是基于本文引入了三维的大气紊流模型并将紊流速度以及紊实测大气紊流而得出的它的频谱函数高频段斜率是-5/3流速度梯度的影响加入到飞机下滑过程的动力学模型中,通Drdm模型是中国煤化工-2,与 Von Kar-man模型相比CNMHG高频响应。因收稿日期:2013-06-24此,对于高逼真度的飞行仿真而言 Von Karman模型是首选。Von Karman模型的空间频谱函数为21中-(-1)2+-(42-4)网++lN(a)1(14-12)p-ln(p2-2)+Meφ(m)=o[1+(2aL、m)2(1)d-[(4-1)l+lq+[-(,-1),門+L+NΦ(』)=σL1+(8/3)(2aLm)2[1+(2aL)2]另外,还需补充转动的运动学微分方程式(5)和角度关系式(6)来使模型封闭3飞机下滑动力学模型dtP tane( gsind coso)考虑到紊流风场对飞机下滑的影响,在模型建立中需考虑风的附加项。为方便表述,定义突风迎角a和突风侧滑dt- gcos- rsin(5)角Bsing+ rose=a-a4=-/V(2)B, =B-B =-v,/vsinak=I cosy[ cosopsinecos(y-x)+这样,飞机质心运动方程可用式(3)来表示sImpsOn(ψ-x)]-dvnycosccos]l/cosBm dt teos(o +a-a )cos(B-B ) Yeos(B-B )sina,sinB. =cosy[ sinapineQ[ sinBsin(B-B,)+cosBcos(B-B)cosa, ]'coSopsIn(ψ-x)]-(6)Z[sin(B-B )cosB-cos(B-B)sinBcosa]n(ψ-x)]mV cosy d=Tl-coyusin(B-B )eos(o+a-a)+cosysinocosel/cosBY[sinuosa. -cousin(B-B.)sina, ]模型求解Q[ sinucosBsina,-couusinBcos(B-B )为了计算飞机对大气紊流的响应,需要以时间频率a为cousin(B-B)cosBcosa]自变量的时间频谱,因此须将给出的空间频谱转化成时间频Z[ cosucosBcos(B-B)+谱。这里,按照文献[7]的方法,采用 Taylor冻结场假设,假定紊流场不随时间的变化而变化,有cosaφ(a)(7)m d= tlsinusin(-B)cos(o +a-a.)+之后,需将其分解成形如传递函数的成形滤波器,分解式为osusin(o +a-a)]+φ(u)=lG(a)YIsirqusin(B-B)sina,+cosucos通过将单位功率的白噪声经传递函数滤波后即可模拟e[ sinucos(B-B )sinB出大气紊流sinucosBsin(B-B)cosa,+由于紊流的加入,会使飞机飞行速度、迎角和侧滑角受cosucosBsina]到紊流速度的直接影响。在该问题的处理上,本文将飞行速Z[sinqucos(B-B,)cosB度V作为一个动态量随整个飞机下滑过程变化,并且考虑vsinsin(B-B )sinBcosar的方向性,即式(7)中V代表该方向的速度分量。cosusinBsinaJ-mgcosy同时,由于紊流速度梯度的存在),除了会对飞机转动(3)角速度产生影响外,紊流速度沿机体的非均匀分布又会引起附加的气动力作用,这里主要体现在对滚转力矩系数C1、俯式中V为飞机航迹速度T为飞机推力为发动机安装角,仰力矩系数Cn和偏航力矩系数C的影响上。x为航迹方位角,y为航迹角,ψ为偏航角,0为俯仰角,q为滚与速度梯度右关的气动力系数可以近似写成转角,为航迹滚转角。中国煤化工下滑过程中的质心转动方程与一般飞行器的相同,本文CNMHG所选飞机为轴对称构型,故质心转动方向cslC(p-o2+C (r-wm)1b[C(C, :IC(p-o2)+Cu(/-0m)16式中,b为翼展,c4为平均空气动力学弦长。大气紊流的速度梯度频谱为71+[(4b/丌)(m)1400-1200-1000800-600φn(』)=1+[(3bb/T)a12中a)10)图2水平距离与横向距离偏差020.4(mL2L。1+[(4b/此时的转动角速度q需用该角速度值取代式(4)和式(5)中原有的角速度值。5结果分析在文献[3]的近舰区设置以及一定的初始条件下得出的仿真结果如图1-图9所示。1200+1000-800600图1所示为整个下滑过程中紊流速度随时间的变化,可水平距离/m见,水平方向和横向紊流速度基本相同,且其幅值也较垂直图3水平距离与高度偏差方向的大。在整个27s的下滑过程中,随着总时间的推移整个紊流速度均呈现先增加后减小的趋势。并且侧滑角和偏航角在最终位置处与理想情况之间存在较大的偏差木时间/时间/图1下滑总时间与素流速度的关系图4飞行速度随下滑时间的变化如图2~图3所示,大气森流的存在会使飞机的航迹飞行高度高于预定航迹并且会产生飞机的横向运动最终造成6结束语3066m的高度偏差以及2216m的横向偏差。本文分析了大气紊流的成因,引人了工程化的大气紊流从图4~图9可见,在大气森流的作用下,飞机的飞行速模型,分析了紊流速度以及紊流速度梯度对飞机的影响,并度以及各个姿态角都会出现振荡现象,尤其是飞行速度和迎以此建立了飞机下滑过程的动力学模型,对飞机下滑过程中角振荡剧烈。飞机的飞行速度迎角和俯仰角的最大幅值都大气紊流的影响进行了仿真研究。结果可以看出,大气紊流出现在下滑过程的前半段,之后随着飞行高度的降低而着舰的存在会造成V中国煤化工横向偏移同时也减小,最终与无风的理想状况下滑情况相差不大,而滚转角、使得整个飞CNMH定,在这样的情况侧滑角和偏航角的最大幅值出现在整个下滑过程的后半段,下,会加重飞行员的驾驶负担,严重时会危及飞机的安全回模拟素流时间/图5迎角随下滑时间的变化图8侧滑角随下滑时间的变化模拟素流时侧/时间/图6俯仰角随下滑时间的变化图9偏航角随下滑时间的变化[4]彭兢金长江.航空母舰尾流数值仿真研究[J.北京航空航天大学学报,2000,26(3):340-343[5]马树峰,岳晓奎.大气紊流的数字仿真[J.计算机辅助工程2008,17(3):54-57[6]张峰汪沛,王冲,谢芳林基于 Von Karman模型的三维大气紊流仿真[J].计算机仿真,2007,24(1):35-38[7]肖业伦,金长江.大气扰动中的飞行原理[M].北京:国防工业出版社,1993:67-70[8]W Frost, R L Bowles. Wind Shear Terms in the Equations of Aircraft Motion[ J]. Journal of Aircraft, 1984, 21(11): 117-125图7滚转角随下滑时间的变化[作者简介]收宋岩(1979-),女(汉族),山东省青岛市人,讲师,硕士研究生,主要研究领域为飞行器动力学;陶杨(1985-),男(汉族),安徽省芜湖市人,博土参考文献研究生,主要研究领域为飞行器动力学;[1]·曹炎娜李屹东董庚寿周佳.舰载飞机着舰最佳甲板风初步分析[门].飞行学,1995,13(2):18-24茅乐(1988-),男(汉族)吉林省长春市人,本[2] David J Moorhouse, Robert J Woodcock. Background Informat科,主要研究领域为机械动力学;and User Guide for MIL-F-8785C, Military Specification Flying岳艳丽(1989-),女(汉族),山东省威海市人,本科,主要研究领域Qualities of Piloted Airplanes[ R]. ADA119421, 1981: 189-19为机械动力学。[3]蒋康博刘超,袁东,近舰区风场建模与着舰仿真分析[].飞中国煤化工行力学,2010,28(6):11-15CNMHG