[发明专利]一种阵风响应飞行试验方法

说明书

本发明提出了一种阵风响应飞行试验方法，属于飞行试验技术领域。本发明方法以考虑飞机真实结构、气动和控制的理论阵风响应时域模型为基础，采用最优化的方法求解舵面时域控制输入，在无风条件下，通过舵面偏转控制飞机模拟阵风响应运动。本发明方法通过舵面控制飞机来模拟产生阵风响应运动，摆脱了自然阵风下飞机阵风响应飞行试验对天气状况的依赖，规避了不可控的风险；本发明方法采用时域确定的舵面控制输入替代传统的随机信号输入，解决了传统试验方法中人工阵风模拟在频域内受限于模拟阵风类型的问题，更能直观说明舵面偏转和阵风引起的飞机运动的相似性，有利于阵风响应飞行试验的具体实施，具有工程应用价值。

技术领域

本发明属于飞行试验技术领域，涉及一种适用于飞机阵风响应的飞行试验方法。

背景技术

近年来随着飞机设计朝着轻质量和大柔性的方向发展，阵风给飞机带来的影响也更加明显。阵风引起的结构振动会造成飞机的疲劳损伤，严重的还会发生飞行事故。因此，为了降低阵风对飞机的影响，通常需要运用主动控制技术设计阵风减缓系统。而为验证阵风减缓系统的有效性，进行阵风响应飞行试验是最为直接有效的方法。

传统阵风响应飞行试验通常是要求飞机在阵风中飞行，记录大量的飞行数据，在后期分析飞机遭遇阵风的运动时，对比有无阵风减缓系统的飞机载荷情况(质心过载和翼根弯矩等)，通过统计学的概念证明阵风减缓系统的有效性。但这种试验方法对天气状况有一定的要求，需要飞机遭遇合适的阵风，过小的风速往往不能满足试验要求，而过大的风速则会威胁飞机的飞行安全。为了摆脱阵风响应飞行试验对天气状况的依赖和规避不可控的风险，还可以采用人工阵风模拟的方法进行飞行试验，主要是模拟飞机连续紊流形式的阵风响应运动，例如Von Karman谱的连续紊流。具体实现上是通过随机信号控制飞机舵面偏转，让飞机产生和阵风响应相近的运动，此时再引入阵风减缓系统，分析前后响应结果，就能证明阵风减缓的有效性。人工阵风模拟使得阵风响应飞行试验能在无风条件下开展，并且模拟的阵风响应运动可控，保证了试验的安全性。但由于随机信号控制的飞机响应往往只能在频域内分析，舵面偏转和阵风引起的飞机运动相似性要通过对比两者的功率谱密度曲线说明，无法清晰地在给出运动随时间的变化结果。并且这种人工阵风模拟的飞行试验方法仅能模拟频域类型的飞机阵风响应，对于如离散阵风等时域类型的阵风就无法模拟。因此，飞机阵风响应飞行试验亟需一种不受限于阵风类型的人工阵风模拟方法。

发明内容

针对飞机阵风响应飞行试验的需求，为了解决传统试验方法中人工阵风模拟在频域内不直观且受限于模拟阵风类型的问题，本发明提出了一种阵风响应飞行试验，提供了时域人工阵风模拟方法，通过最优化的方法求解舵面的时域控制输入，在无风条件下通过时域内舵偏激励飞机产生运动来模拟阵风响应，完成阵风响应飞行试验。

本发明的一种阵风响应飞行试验方法，设置舵面时域控制输入求解框架求解飞机舵面的时域控制输入，在无风条件下，通过舵面偏转控制飞机模拟阵风响应运动。舵面时域控制输入求解框架包括飞机数学模型模块和最优化求解模块。飞机数学模型模块用于建立理论阵风响应时域模型。最优化求解模块通过最优化方法求解舵面时域控制输入，使得飞机在舵面控制下产生的运动和阵风响应运动相差最小。

进一步地，本发明的阵风响应飞行试验方法，首先根据不同构型的飞机和具体试验要求确定实际需要模拟的阵风响应运动量，需要模拟的阵风响应运动量包括飞机质心处的垂直加速度和俯仰角响应；然后根据确定的模拟阵风响应运动量选取控制舵面，选取规则包括：若单独模拟飞机的俯仰运动，选取俯仰力矩系数较大的控制舵面，如升降舵；若单独模拟飞机的垂直运动，选取升力系数较大的控制舵面，如副翼；若同时模拟飞机俯仰和垂直运动，则同时使用所选取的两种类型舵面，如同时选取升降舵和副翼。

进一步地，飞机数学模型模块，建立考虑飞机真实结构、气动和控制的理论阵风响应时域模型表示如下：