一种飞机质量特性建模方法技术

本发明专利技术属于飞机飞行控制系统仿真验证技术领域，涉及一种可在飞控系统仿真验证过程中实时解算飞机质量特性数据的新方法，保证仿真验证的正确性。本发明专利技术可保留传统飞行控制仿真验证系统结构，增加一种根据空机、燃油、装载各自质量特性的变化数据建立的全机质量特性解算模块，实现实时解算全机质量特性。该方法不仅能够模拟燃油消耗、装载质量变化(飞机空投等)及装载模式对飞机本体的影响，从而真实模拟飞机，有效提高仿真系统的真实性。而且，该方法的应用不需要对飞行控制仿真系统任何结构部分进行改造，可直接在仿真模型中增加该算法模块，节约改造成本、缩短研发周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于飞机飞行控制系统仿真验证
，涉及一种可在飞控系统仿真验证过程中实时解算飞机质量特性数据的新方法，保证仿真验证的正确性。
技术介绍
飞机质量特性，即重心、转动惯量及惯性积。在对飞行控制系统进行仿真验证过程中，需要对飞机方程进行实时解算，从而将当前的飞行状态传送至控制系统，进而对控制系统进行仿真验证。在解算飞机方程时，必须使用飞机的转动惯量和惯性积数据。质量特性数据的不真实，将会在很大程度上影响飞机方程的计算，不利于飞行控制系统的仿真验证。当前国内对飞机飞行控制系统的仿真验证都是通过预设状态点信息，其中包括飞机的质量特性数据。然而，在飞机仿真飞行过程中，飞机的质量特性依然为先前的预设值，导致在仿真过程中飞机方程解算失真，影响对飞行控制系统的仿真验证。飞行控制系统仿真验证的基础是飞机方程解算的正确性，只有当飞机方程与真实飞机的特性无限接近时，才能够保证仿真验证的正确。所以，仿真验证过程中，必须保证飞机方程解算时所需数据的准确性。仿真验证系统应提供一种能够为飞机方程实时输入当前状态下飞机的质量特性数据，以有效保障飞机方程的仿真解算。传统的飞行控制仿真验证系统对飞机质量特性数据的处理存在以下缺点：1、无法模拟燃油消耗对飞机动力学方程解算的影响；2、无法模拟装载质量变化(飞机空投等)对飞机动力学方程解算的影响；3、无法模拟装载模式对飞机动力学方程解算的影响；经查新，没有与该专利技术相近的专利。
技术实现思路
本专利技术的目的是：本专利技术的目的是在传统质量特性恒定的飞行控制仿真验证系统基础上，提出一种根据空机、燃油、装载各自质量特性的变化数据，进行实时解算全机质量特性的建模方法。本专利技术的技术方案是：一种飞机质量特性建模方法，飞机全机质量由空机质量、燃油质量、装载质量三部分组成；定义一个计算坐标系，质量特性包括重心坐标X、Y、Z、转动惯量Ix、Iy、Iz、惯性积Ixy、Ixz、Iyz，其中，空机质量特性数据为恒定值；燃油的质量特性数据一般随着燃油质量成单调性变化；装载的质量特性数据由装载模式及装载质量共同决定，并且成单调性变化；本方法步骤如下：(1)根据已有的燃油质量特性数据，建立随着质量变化的插值表；同理，根据装载质量特性数据，建立随着质量及装载模式变化的插值表；(2)根据空机、燃油、装载三部分质量特性数据计算出全机质量特性，计算方案如下：a)利用空机、燃油、装载三部分质量产生的重力对坐标系原点力矩原理推导全机重心计算公式为：三部分质量分别与距坐标系原点距离的乘积除以三部分质量之和。b)转动惯量平行轴定理为：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过质心、并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体质量与两轴间距离平方的乘积。利用此原理，分别将空机、燃油、装载三部分绕自身处的转动惯量通过平行轴定理平移到全机重心处，得出全机转动惯量的计算公式；。c)利用惯性积平移原理，分别将空机、燃油、装载三部分的惯性积平移到全机重心处，得出全机惯性积的计算公式。(3)采用数学模型计算软件建立质量特性模型，以燃油质量、装载质量、装载模式为输入，根据各自的插值表得到当前状态下燃油、装载的质量特性数据，通过步骤(4)中推导出的全机重心、转动惯量及惯性积计算方法，搭建计算模块，从而计算出全机质量特性数据。本专利技术所产生的有益效果：本专利技术可保留传统飞行控制仿真验证系统结构，增加一种根据空机、燃油、装载各自质量特性的变化数据建立的全机质量特性解算模块，实现实时解算全机质量特性。该方法不仅能够模拟燃油消耗、装载质量变化(飞机空投等)及装载模式对飞机本体的影响，从而真实模拟飞机，有效提高仿真系统的真实性。而且，该方法的应用不需要对飞行控制仿真系统任何结构部分进行改造，可直接在仿真模型中增加该算法模块，节约改造成本、缩短研发周期。附图说明图1是质量特性建模的计算坐标轴系，其中：O是坐标原点，为飞机机头前S米处平面与构造水平线的交点；X轴在飞机构造水平线上，方向与航向相反；Y轴垂直于飞机对称面，指向右侧；Z轴在飞机对称面上，竖直向上；图2是力对点的矩示意图，其中：O是图1中计算坐标系原点；OX是在飞机构造水平线上，方向与航向相反；m是全机质量；X为全机的重心位置；m1是空机质量；X1是空机的重心位置；m2是燃油质量；X2是燃油的重心位置；m3是装载质量；X3是装载的重心位置；图3是转动惯量与惯性积坐标系平移示意图，其中：n是刚体中一点质量；O2是刚体质心；坐标系X1Y1Z1与X2Y2Z2平行；d是O1与O2的距离；x1是n在X1O1Y1平面的投影距O1Y1轴的距离；y1是n在X1O1Y1平面的投影距O1X1轴的距离；x2是n在X2O2Y2平面的投影距O2Y2轴的距离；y2是n在X2O2Y2平面的投影距O2X2轴的距离；图4是质量特性建模方案示意图。具体实施方式原理：飞机质量由空机、燃油、装载三部分组成。对全机重心计算公式、转动惯量计算公式、惯性积计算公式进行推导，根据空机、燃油、装载自身质量特性数据计算出全机质量特性数据。下面结合附图和实施方式对一种飞机质量特性建模方法做具体说明。步骤1：定义计算坐标轴系。如图1所示，根据飞机重量专业提供的空机、燃油、装载三部分各自质量特性数据所依据的坐标轴系，定义质量特性建模的计算坐标轴系。步骤2：根据空机、燃油、装载三部分各自质量特性数据建立插值表。空机质量特性数据一般为恒定值；燃油质量特性一般随质量的变化而变化；装载质量特性随装载模式、装载质量的变化而变化。根据质量特性数据，建立数据插值表，为后续计算提供数据来源。步骤3：推导全机重心计算公式。设空机质量为m1，燃油质量为m2，装载质量为m3，X1、Y1、Z1为空机在计算坐标系中的重心位置，X2、Y2、Z2为燃油自身在计算坐标系中的重心位置，X3、Y3、Z3为装载自身在计算坐标系中的重心位置，X、Y、Z为全机质量在计算坐标系中的重心位置。图2为计算坐标轴系X轴，O为坐标系原点，m为全机质量。根据力对点的矩原理，空机、燃油、装载各部分质量对原点的矩为M1=m1*g*X1M2=m2*g*X2M3=m3*g*X3]]>则对原点产生的合矩为M＝m1*g*X1+m2*g*X2+m3*g*X3所以，全机质量X轴重心坐标到原点的距离为<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机质量特性建模方法，飞机全机质量由空机质量、燃油质量、装载质量三部分组成；定义一个计算坐标系，质量特性包括重心坐标X、Y、Z、转动惯量Ix、Iy、Iz、惯性积Ixy、Ixz、Iyz，其中，空机质量特性数据为恒定值；燃油的质量特性数据一般随着燃油质量成单调性变化；装载的质量特性数据由装载模式及装载质量共同决定，并且成单调性变化；其特征是，本方法步骤如下：(1)根据已有的燃油质量特性数据，建立随着质量变化的插值表；同理，根据装载质量特性数据，建立随着质量及装载模式变化的插值表；(2)根据空机、燃油、装载三部分质量特性数据计算出全机质量特性，计算方案如下：a)利用空机、燃油、装载三部分质量产生的重力对坐标系原点力矩原理推导全机重心计算公式为：三部分质量分别与距坐标系原点距离的乘积除以三部分质量之和，得出全机重心的计算公式；b)转动惯量平行轴定理为：刚体对于任一轴的转动惯量，等于刚体对于通过质心、并与该轴平行的轴的转动惯量，加上刚体质量与两轴间距离平方的乘积；利用此原理，分别将空机、燃油、装载三部分绕自身处的转动惯量通过平行轴定理平移到全机重心处，得出全机转动惯量的计算公式；c)利用惯性积平移原理，分别将空机、燃油、装载三部分的惯性积平移到全机重心处，得出全机惯性积的计算公式；(3)采用数学模型计算软件建立质量特性模型，以燃油质量、装载质量、装载模式为输入，根据各自的插值表得到当前状态下燃油、装载的质量特性数据，通过步骤(4)中推导出的全机重心、转动惯量及惯性积计算方法，搭建计算模块，从而计算出全机质量特性数据。...

【技术特征摘要】
1.一种飞机质量特性建模方法，飞机全机质量由空机质量、燃油质量、装
载质量三部分组成；定义一个计算坐标系，质量特性包括重心坐标X、Y、Z、
转动惯量Ix、Iy、Iz、惯性积Ixy、Ixz、Iyz，其中，空机质量特性数据为恒定值；
燃油的质量特性数据一般随着燃油质量成单调性变化；装载的质量特性数据由
装载模式及装载质量共同决定，并且成单调性变化；其特征是，本方法步骤如
下：
(1)根据已有的燃油质量特性数据，建立随着质量变化的插值表；同
理，根据装载质量特性数据，建立随着质量及装载模式变化的插值表；
(2)根据空机、燃油、装载三部分质量特性数据计算出全机质量特性，
计算方案如下：
a)利用空机、燃油、装载三部分质量产生的重力对坐标系原点力矩原理推
导全机重心计算公式为：三部分质量分别与距坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛源，黑文静，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61