一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统和方法，该系统包括基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)、驾驶员模型(200)、飞机模型(300)及风浪扰动模型(400)。通过基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)和驾驶员模型(200)实现适航条款所规定飞行任务的驾驶员操纵模拟，并结合飞机模型(300)和风浪扰动模型(400)完成飞行任务的数字虚拟飞行仿真计算。本发明专利技术的仿真计算系统依据飞行数字虚拟飞行方法，既能够进行适航符合性预验证，也能为飞行试验计划的制定提供支持性数据，缩短了水陆两栖飞机设计初期的时间，有效地避免了在飞行性能、飞机适航性和运行适应性等方面出现颠覆性的重大问题。

A Simulated Computing System and Method for Assessing Airworthiness Compatibility of Amphibious Aircraft

The invention discloses a simulation calculation method and system for evaluating the airworthiness of amphibious aircraft. The system includes a mission digitization module (100), a pilot model (200), an aircraft model (300) and a wind wave disturbance model (400) based on Airworthiness terms. The flight mission digital module (100) and pilot model (200) based on Airworthiness clause are used to simulate the pilot control of the flight mission specified in the airworthiness clause, and the digital virtual flight simulation calculation of the flight mission is completed by combining the aircraft model (300) and the wind wave disturbance model (400). According to the flight digital virtual flight method, the simulation calculation system of the present invention can not only pre-verify the airworthiness conformity, but also provide supporting data for the formulation of flight test plans, shorten the initial design time of amphibious aircraft, and effectively avoid major problems of subversiveness in flight performance, airworthiness and operational adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统和方法
本专利技术涉及一种飞行仿真计算系统，更特别地说，是一种通过数字虚拟飞行仿真手段、在水陆两栖飞机设计初期对设计方案进行快速评估和适航符合性预验证的系统和方法。
技术介绍
现代民用飞机适航取证过程中，大部分条款需要通过试验的方法去完成适航符合性验证。目前最主要的方法还是飞行试验验证，此外也常常使用实验室试验、地面模拟器试验等。但是，这些试验一般需要在设计方案已经得到初步实施即加工出试验机的前提下才能完成，具有较大的不确定性且需要耗费大量的时间和经济成本。并且，这些试验方法难以在飞机设计的初期对设计方案的适航符合性进行评估，而适航符合性是现代民机设计的重要目标和依据。数字虚拟飞行方法是一种通过对适航条例的分析理解，并依靠人机闭环任务数字仿真，从而对飞机适航符合性进行考察的一种研究方法。它以风险小，效率高，不受气候条件和空间的限制，大大降低研制成本和验证周期而得到广泛应用。目前国内适用于水陆两栖飞机适航符合性评估的标准主要为2011年12月7日施行的《中国民用航空规程(CCAR-25-R4)》和1987年06月01日施行的《GJB185-86有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质》，其中，CCAR-25R4为民航适航局颁发，更侧重于从任务整体去描述适航取证时飞机飞行任务的条件以及性能指标，GJB185-86主要面向飞行和操纵品质要求，相对于CCAR-25R4在评价飞机任务性能上指标更加具体和详细。利用计算机及仿真软件(如MatlabR2013a－Simulink)仿真是一个重要的环节，不仅能够缩短工程研制周期，而且大大节约验证飞行成本。
技术实现思路
为了解决在水陆两栖飞机设计初期，对设计方案进行快速评估和适航符合性预验证，本专利技术设计了一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统和方法。水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统将驾驶员模型与考虑水动力的飞机运动模型相结合，对飞机在风浪扰动条件下的起降任务进行仿真计算，根据适航条例和飞行品质准则中规定的相关参数评估飞机设计方案是否满足适航符合性要求，是一种既可行又经济的仿真方法。本专利技术的一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统和方法，该系统包括基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)、驾驶员模型(200)、飞机模型(300)及风浪扰动模型(400)；所述驾驶员模型(200)包括起飞驾驶员模型单元(201)和降落驾驶员模型单元(202)；所述飞机模型(300)包括飞机飞行动力学模型单元(301)和水动力模型单元(302)；通过基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)和驾驶员模型(200)实现适航条款所规定飞行任务的驾驶员操纵模拟，并结合飞机模型(300)和风浪扰动模型(400)完成飞行任务的数字虚拟飞行仿真计算。本专利技术采用的用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统的飞机数字虚拟飞行方法的流程为：(A)选择飞行任务，初始化飞机高度、速度、姿态角、油门位置、重量、重心位置、风速、海浪高度等信息；(B)驾驶员模型(200)根据当前飞机飞行动力学模型(301)输入的飞机高度、速度、航迹角、姿态角及气动角等信息和基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)输入的飞行任务信息，根据飞行任务要求和海面情况，输出驾驶员对各个舵面及油门的操纵量信息；(C)水动力模型(302)根据当前飞机飞行动力学模型(301)输入的部分飞机飞行状态信息计算输出水面作用于机体的力及力矩信息；(D)飞机飞行动力学模型(301)根据驾驶员模型(200)输入的各个舵面的偏度及油门位置信息、水动力模型(302)输入的水面作用于机体的力及力矩信息和风浪扰动模型(400)输入的风浪扰动信息计算输出飞机飞行状态信息；(E)仿真结束，得到适航性仿真参数；根据所述的适航性仿真参数能够评估飞机设计初期的设计方案是否满足适航条例的要求。本专利技术仿真计算系统的优点在于：①本专利技术的水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统能够在水陆两栖飞机设计初期评估其设计方案是否满足适航条例的要求，可以节约飞机设计初期的设计成本。②本专利技术仿真计算系统采用数字虚拟飞行方法对大型水陆两栖飞机水面起降的适航符合性进行评估，可以有效的降低适航取证的时间成本和经济成本，并且可以对飞机设计的方法进行适航符合性的评估，提高飞机设计的效率，降低民用飞机设计周期。③本专利技术的水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统采用数字虚拟飞行的方法开展水陆两栖飞机典型飞行适航符合性的研究，能够满足精度要求，可以用来优化飞机性能、完善设计方案，对水陆两栖飞机的顺利投入运营具有重要的意义。④本专利技术的水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统通过改变水陆两栖飞机模型(300)，可以对不同水陆两栖飞机进行适航符合性研究，具有通用性。⑤本专利技术的水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统利用《中国民用航空规程(CCAR-25-R4)》和《GJB185-86有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质》中水陆两栖飞机相关的适航条例对其适航符合性进行评估，结论具有可靠性附图说明图1是本专利技术的水陆两栖飞机数字虚拟飞行仿真计算系统结构框图。图2是本专利技术仿真计算系统起飞水面滑行阶段的驾驶员模型结构图。图3是本专利技术仿真计算系统起飞水面滑行阶段的俯仰角指令图。图4是本专利技术仿真计算系统起飞抬头爬升阶段的驾驶员模型结构图。图5是本专利技术仿真计算系统进近阶段的驾驶员模型结构图。图6是本专利技术仿真计算系统拉平阶段的驾驶员模型结构图。图7是本专利技术仿真计算系统降落水面滑行阶段的驾驶员模型结构图。图8是本专利技术仿真计算系统采用Wigley-1船型兴波阻力系数的试验值与理论值的对比图。图9A是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行仿真的飞机航线示意图。图9B是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行的仿真俯仰角结果图。图9C是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行仿真的驾驶杆纵向杆力示意图。图9D是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行仿真的驾驶杆横向杆力示意图。图9E是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行仿真的脚蹬力示意图。图9F是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行的航迹偏角仿真结果图。图9G是依据本专利技术系统进行的海浪中水面降落任务数字虚拟飞行的航迹偏移量结果图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。如图1、图2、图4、图5、图6、图7所示，本专利技术的一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，该系统包括基于适航条款的飞行任务数字化模块100、驾驶员模型200、飞机模型300及风浪扰动模型400；所述驾驶员模型200包括起飞驾驶员模型单元201和降落驾驶员模型单元202；所述飞机模型300包括有飞机飞行动力学模型301和水动力模型302；通过基于适航条款的飞行任务数字化模块100和驾驶员模型200实现适航条款所规定飞行任务的驾驶员操纵模拟，并结合飞机模型300和风浪扰动模型400完成飞行任务的数字虚拟飞行仿真计算。为了便于说明飞机驾驶员模型200及飞机模型300建模过程，引入地面参考系Ogxgygzg、机体参考系Oxbybzb、气流参考系Oxayaza、航迹参考系Oxkykzk的概念。关于坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，其特征在于：仿真计算系统包括基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)、驾驶员模型(200)、飞机模型(300)及风浪扰动模型(400)；所述驾驶员模型(200)包括起飞驾驶员模型单元(201)和降落驾驶员模型单元(202)；所述飞机模型(300)包括飞机飞行动力学模型单元(301)和水动力模型单元(302)；通过基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)和驾驶员模型(200)实现适航条款所规定飞行任务的驾驶员操纵模拟，并结合飞机模型(300)和风浪扰动模型(400)完成飞行任务的数字虚拟飞行仿真计算。

【技术特征摘要】
1.一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，其特征在于：仿真计算系统包括基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)、驾驶员模型(200)、飞机模型(300)及风浪扰动模型(400)；所述驾驶员模型(200)包括起飞驾驶员模型单元(201)和降落驾驶员模型单元(202)；所述飞机模型(300)包括飞机飞行动力学模型单元(301)和水动力模型单元(302)；通过基于适航条款的飞行任务数字化模块(100)和驾驶员模型(200)实现适航条款所规定飞行任务的驾驶员操纵模拟，并结合飞机模型(300)和风浪扰动模型(400)完成飞行任务的数字虚拟飞行仿真计算。2.根据权利要求1所述的一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，其特征在于：所述基于适航条款的考核任务数字化模块(100)根据《中国民用航空规程(CCAR-25-R4)》和《GJB185-86有人驾驶飞机(固定翼)飞行品质》中有关水陆两栖飞机适航符合性的部分条款，设计了用于水陆两栖飞机水面起降适航符合性评估的典型飞行任务及对应的任务卡，实现了基于适航条款的飞行任务数字化；飞行任务包括平静水面滑行、平静水面起飞、平静水面降落、侧风中水面起飞、侧风中水面降落、海浪中水面起飞和海浪中水面降落。3.根据权利要求1所述的一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，其特征在于：所述起飞驾驶员模型单元(201)包括起飞水面滑行阶段驾驶员模型(201a)和抬头爬升阶段驾驶员模型(201b)；起飞水面滑行阶段驾驶员模型的纵向操纵目标是控制飞机的俯仰角，使其处于稳定区域内，以满足纵向稳定性的要求；横航向操纵目标为控制飞机的航迹偏移，以保证飞机的起飞航迹满足要求；抬头爬升阶段驾驶员模型的操纵目标分为两部分，一是迅速的抬头爬升到达安全高度，二是保持航迹稳定且航迹偏移不能太大；驾驶员模型包含升降舵通道、副翼通道、方向舵通道和发动机通道四个操纵通道，根据水陆两栖飞机水面起飞任务的驾操纵要求，采用Hess驾驶员模型理论分阶段完成水面起飞任务的驾驶员操纵模型；引入Hess提出的感知模型，描述在不同水面条件下驾驶员接受飞机状态信号的能力；引入多通道驾驶员模型理论，描述驾驶员在进行多通道任务时驾驶员感知能力下降且操纵效果降低的现象。4.根据权利要求1所述的一种用于评估水陆两栖飞机适航符合性的仿真计算系统，其特征在于：所述降落驾驶员模型单元(202)包括进近阶段驾驶员模型(202a)、拉平阶段驾驶员模型(202b)和降落水面滑行阶段驾驶员模型(202c)；进近阶段驾驶员模型的纵向操纵目标是控制沿着预定的下滑航迹下滑，或以一定的下滑角完成稳定的下滑；横航向操纵目标是保证飞机不会出现较大的航迹偏移；拉平阶段驾驶员模型的纵向操纵目标是改变飞行下滑角，减小飞机的下沉速度，获得较为适宜的入水角，在拉平阶段末端将飞机的俯仰角保持在3°左右；横航向操纵目标是保证飞机不会出现较大的航迹偏移；降落水面滑行阶段驾驶员模型的纵向操纵目标主要是俯仰姿态控制，保证飞机在水面滑行的纵向稳定性；横航向操纵目标是通过副翼和方向舵协同作用，保证飞机不会出现较大的航迹偏移；驾驶员模型包含升降舵通道、副翼通道、方向舵通道和发动机通道四个操纵通道，根据水陆两栖飞机水面降落任务的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立新，刘静，殷海鹏，杨坤，曹华姿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国飞行试验研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11