一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法技术

本发明专利技术提供一种集爬升‑巡航‑下降为整体的航时性能优化方法，步骤为：通过单一重量下的巡航性能分析，选取最优航时巡航策略；将爬升区间的爬升和平飞性能数据整体优化，得到最优航时爬升策略；将下降区间的下降和平飞性能数据优化，得到最优航时下降策略；分别通过累加爬升区间和下降区间的耗油，得到爬升段和下降段的耗油前后夹逼，计算出巡航段的油量，然后，划分不同的油量区间，进行整个巡航段的航时优化，得到最优巡航策略的航时；分别通过累加爬升区间和下降区间的航时，得到整个爬升段和下降段的航时；将爬升段、巡航段和下降段的航时分段累加得到整个飞行剖面的最优航时。

A method for optimizing the flight time performance of integrated climb cruise descent

【技术实现步骤摘要】
一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法
本专利技术涉及航空
，特别是航时分配规划的

技术介绍
目前，军事领域的无人机最大的功用是侦察，其侦察的前提便是超高的航时性能，即空中待机的能力。典型的航时飞行剖面，包含了爬升，巡航和下降3种主要的任务段。其中，巡航又分为不同重量的巡航段。为了达到超长的航时性能指标，研究学者进行了全面，深入的研究。如张云飞等提出了在等高度巡航时，采取变姿态、变速度的飞行策略，达到最大的航时(张云飞，罗勋，向锦武等.螺旋桨飞机等高度飞行的航程与航时计算[J],飞行力学，2003,21(4)：30-34；张云飞，郭伟，马东立等.喷气飞机等高度飞行的航程与航时计算[J],北京航空航天大学学报，2003,29(7)：566-569)。董朝阳[3]根据能量状态近似法和奇异摄动法求得最优的爬升轨迹和下降轨迹(董朝阳.飞机性能优化研究[J].飞行力学，1992,10(4)：39-47.)。然而，爬升、巡航和下降的航时在最优航时的飞行剖面中占比都并非小量，若只追求单一任务段的优化，势必造成局部最优，而造成其他阶段的短板和不足。同时，巡航段占据整个航时飞行剖面的绝大部分，若选取同一个速度进行巡航，也容易陷入局部优化。因此，只考虑单个或非整体的多个任务段不足以获得最优的航时性能。
技术实现思路
针对当前的航时性能剖面优化的不全面性，为了使飞机达到最佳的航时性能，本专利技术提出了集爬升-巡航-下降为一体的航时性能优化方法。本专利技术一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，步骤为：a.单一重量下的巡航策略选择：通过单一重量下的巡航性能计算分析，选取不同高度和不同重量下的最优航时巡航策略；b.爬升段策略的选择：将爬升(区间)的爬升和平飞性能数据整体计算和优化，得到爬升(区间)的最优航时爬升策略；c.下降段策略的选择：将下降(区间)的下降和平飞性能数据整体计算和优化，得到下降(区间)的最优航时下降策略；d.整体巡航段策略选择：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的耗油，得到整个爬升段和下降段的耗油前后夹逼，计算出巡航段的油量，然后，划分不同的油量区间，进行整个巡航段的航时优化，得到最优巡航策略的航时；e.综合爬升-巡航-下降策略完成航时性能的优化：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的航时，得到整个爬升段和下降段的航时；将爬升段、巡航段和下降段的航时分段累加得到整个飞行剖面的最优航时。所述单一重量下的巡航段策略选择为：将巡航油量分为n段(n为变量)，即得到不同的重量，每个重量下的小时耗油量计算公式为：其中，W-为小时耗油量，△W巡为巡航油耗，△T巡为巡航时间；形成高度-重量-巡航速度下的三维小时耗油量矩阵选出不同高度和重量下的最小小时耗油量，该小时耗油量对应的速度，即为该重量和高度下的最优久航速度。所述对重量变化，通过内部插值法，得到不同重量的小时耗油量。所述爬升(区间)策略选择为a)选择高度优化区间△H爬；b)在高度区间范围内，计算不同爬升速度下，爬升该高度区间的飞行时间；c)选取爬升区间内最长的飞行时间作为该高度区间的基准时间，记为Tmax爬，其他爬升策略下，需要通过爬升+平飞的策略，达到Tmax爬可得：Tmax爬＝T1爬+T2爬其中，T1爬为爬升的飞行时间，T2爬为平飞的飞行时间。d)选取最优航时的爬升速度：用不同的爬升策略(爬升/爬升+平飞)以达到Tmax爬，求得每种爬升策略达到该飞行时间的平均小时耗油量，选取最小的平均小时耗油量对应的爬升策略为该高度区间的最优航时爬升策略，对应的爬升速度即为当前高度区间最优航时的爬升速度。所述选取每个高度区间最优航时的爬升速度，即形成高度区间-爬升速度的二维矩阵，该矩阵即为最优航时剖面的爬升策略。所述下降(区间)策略选择平飞+下降和下降两种方式，a)选择高度优化区间△H降，；b)在高度区间内，计算不同的下降速度情况下，下降该高度区间的飞行时间；c)选取下降区间内最长的飞行时间作为该高度区间范围的基准飞行时间，记为T降max，其他下降策略下，需要通过平飞+下降的策略，达到T降max可得：T降max＝T1降+T2降其中，T1降为下降的飞行时间，T2降为平飞的飞行时间；d)选取最优航时的下降速度：以最长飞行时间T降max为基准飞行时间，用不同的下降策略(下降/平飞+下降)以达到该时间，求得每种下降策略达到该时间的平均小时耗油量，选取最小的平均小时耗油量对应的下降策略为该高度区间的最优下降策略，对应的下降速度即为当前高度区间最优航时下降速度；选取每个高度区间最优航时的下降速度，即形成高度区间-下降速度的二维矩阵，该矩阵即为最优航时剖面的下降策略。所述整体巡航段策略选择：a)巡航油量计算，通过爬升(区间)策略和下降(区间)策略，前后夹逼，计算出巡航段的油量：1)通过爬升(区间)策略选择，得到每个高度区间下，最优的爬升策略下的油耗，累加得到整个爬升段的油耗；2)通过下降(区间)策略选择，得到每个高度区间下，最优的下降策略下的油耗，累加得到整个下降段的油耗；3)除去爬升段和下降段的油量即得到巡航段的油量；b)不同重量下的巡航策略将巡航油量划分n段，每段巡航油量得到一个平均的巡航重量，通过高度-重量-巡航速度下的三维小时耗油量矩阵，选取该重量下的最优巡航速度，实现不同重量对应不同速度的巡航，即变速度巡航策略；c)巡航策略的优化由于分段n的不同，得到不同的巡航时间T巡；通过n的变化，得到不同巡航分段的巡航时间T巡n＝1，T巡n＝2…T巡n＝i；同时，引入收敛因子Factor，当不同分段n引起巡航时间的增加量△T巡<<Factor时，认为该巡航段的策略已经最优。所述收敛因子Factor，对于长航时飞机，Factor＝(1～2％)*T巡；对于航时较短飞机，Factor＝(2～3％)*T巡。所述综合爬升-巡航-下降策略完成航时性能的优化中，通过爬升(区间)策略选择，可以得到每个高度区间下，最优的爬升速度和该速度下的飞行时间；从低空→高空按照高度区间进行积分，实现整个爬升段的飞行时间的累加；通过下降(区间)策略选择，可以得到每个高度区间下，最优的下降速度和该速度下的飞行时间；从低空→高空按照高度区间进行积分，实现整个下降段的飞行时间的累加。通过本专利技术方法的计算优化，能够得到最优的航时性能；本专利技术的航时优化方法，针对长航时飞机的特点，将爬升-巡航-下降3种任务阶段整体优化，能够有效的提高了飞机的性能指标，拓展了飞机的功能和用途，并且为后续飞机的应用和改型建立了良好的航时性能基础。附图说明图1飞行剖面图图2航时优化流程图图3爬升(区间)策略剖面图图4下降(区间)策略剖面图具体实施方式...

【技术保护点】
1.一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，步骤为：/na.单一重量下的巡航策略选择：通过单一重量下的巡航性能计算分析，选取不同高度和不同重量下的最优航时巡航策略；/nb.爬升段策略的选择：将爬升(区间)的爬升和平飞性能数据整体计算和优化，得到爬升(区间)的最优航时爬升策略；/nc.下降段策略的选择：将下降(区间)的下降和平飞性能数据整体计算和优化，得到下降(区间)的最优航时下降策略；/nd.整体巡航段策略选择：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的耗油，得到整个爬升段和下降段的耗油前后夹逼，计算出巡航段的油量，然后，划分不同的油量区间，进行整个巡航段的航时优化，得到最优巡航策略的航时；/ne.综合爬升-巡航-下降策略完成航时性能的优化：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的航时，得到整个爬升段和下降段的航时；将爬升段、巡航段和下降段的航时分段累加得到整个飞行剖面的最优航时。/n

【技术特征摘要】
1.一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，步骤为：
a.单一重量下的巡航策略选择：通过单一重量下的巡航性能计算分析，选取不同高度和不同重量下的最优航时巡航策略；
b.爬升段策略的选择：将爬升(区间)的爬升和平飞性能数据整体计算和优化，得到爬升(区间)的最优航时爬升策略；
c.下降段策略的选择：将下降(区间)的下降和平飞性能数据整体计算和优化，得到下降(区间)的最优航时下降策略；
d.整体巡航段策略选择：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的耗油，得到整个爬升段和下降段的耗油前后夹逼，计算出巡航段的油量，然后，划分不同的油量区间，进行整个巡航段的航时优化，得到最优巡航策略的航时；
e.综合爬升-巡航-下降策略完成航时性能的优化：分别通过累加爬升(区间)和下降(区间)的航时，得到整个爬升段和下降段的航时；将爬升段、巡航段和下降段的航时分段累加得到整个飞行剖面的最优航时。


2.根据权利要求1所述一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，其特征在于，所述单一重量下的巡航段策略选择为：
将巡航油量分为n段(n为变量)，即得到不同的重量，每个重量下的小时耗油量计算公式为：



其中，W-为小时耗油量，△W巡为巡航油耗，△T巡为巡航时间；
形成高度-重量-巡航速度下的三维小时耗油量矩阵选出不同高度和重量下的最小小时耗油量，该小时耗油量对应的速度，即为该重量和高度下的最优久航速度。


3.根据权利要求2所述一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，其特征在于，所述对重量变化，通过内部插值法，得到不同重量的小时耗油量。


4.根据权利要求1所述一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，其特征在于，所述爬升(区间)策略选择为：
i)选择高度优化区间△H爬；
j)在高度区间范围内，计算不同爬升速度下，爬升该高度区间的飞行时间；
k)选取爬升区间内最长的飞行时间作为该高度区间的基准时间，记为Tmax爬，其他爬升策略下，需要通过爬升+平飞的策略，达到Tmax爬可得：
Tmax爬＝T1爬+T2爬
其中，T1爬为爬升的飞行时间，T2爬为平飞的飞行时间。
l)选取最优航时的爬升速度：
用不同的爬升策略(爬升/爬升+平飞)以达到Tmax爬，求得每种爬升策略达到该飞行时间的平均小时耗油量，选取最小的平均小时耗油量对应的爬升策略为该高度区间的最优航时爬升策略，对应的爬升速度即为当前高度区间最优航时的爬升速度。


5.根据权利要求4所述一种集爬升-巡航-下降为整体的航时性能优化方法，其特征在于，所述选取每个高度区间最优航时的爬升速度，即形成高度区间-爬升速度的二维矩阵，该矩阵即为最优航...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯宇鹏，程家林，李涛，覃瞾华，
申请(专利权)人：成都飞机工业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51