结冰飞机非线性稳定域确定及安全操纵方法

结冰会恶化飞机的动力学特性,造成飞行包线收缩,威胁飞行安全,研究结冰后飞机的非线性稳定域变化对于驾驶员操纵应对策略设计以及飞行安全的提高具有重要意义。以NASA的GTM为案例飞机,首先对飞机气动参数进行多项式拟合,同时结合结冰因子模型,建立了飞机在结冰条件下的纵向通道动力学模型;然后通过分岔分析方法对飞机在不同程度结冰条件和操纵指令下的飞行状态变化进行了研究,并将其用于指导驾驶员操纵,同时考虑到分岔分析方法的局限性,利用微分流形理论确定了飞行系统的非线性稳定域,并将其作为飞行安全边界;最后针对结冰情形,提出将分岔分析方法与微分流形理论相结合共同用于操纵指导,并进行了操纵时域验证。研究结果表明,结冰会使安全边界收缩,在小扰动的作用下都可能使飞行状态超出安全边界。随着结冰程度增加,飞机的稳定性质甚至会发生变化,此时飞行状态将很难维持在原有的安全边界以内,提出了通过指导驾驶员操纵指令变化使飞行状态到达新的安全边界。研究结果对于飞行安全操纵及边界保护都具有一定的指导意义。

飞机结冰中水滴撞击特性的欧拉法准确性分析

过冷水滴撞击特性计算是飞机结冰冰形预测与防除冰系统性能分析的基础,常用方法为欧拉法与拉格朗日法,2种方法的结果通常是一致的,但在某些部件上会出现差异。通过对欧拉法与拉格朗日法进行比较,分析2种方法结果的异同,进而讨论欧拉法对于飞机结冰中水滴撞击特性计算的准确性。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道与发动机气膜帽罩为对象,采用欧拉法与拉格朗日法计算获得水滴运动及局部水收集系数。结果表明:当水滴运动未受到上游效应影响时,欧拉法与拉格朗日法的结果一致;当水滴发生偏转后,欧拉法速度的单一性使水滴流线不能相交,而拉格朗日法能捕捉水滴轨迹的交叉,导致2种方法的预测产生差异,且欧拉法结果与水滴不碰撞及聚并的假设存在冲突;水滴在上游部件空气绕流或气流吹袭作用下都会发生偏转,使得欧拉法与拉格朗日法得到的下游表面水收集系数不相符,欧拉法对于S形进气道与发动机气膜帽罩的水滴运动及撞击特性计算存在误差。研究成果对飞机结冰冰形的准确预测及防除冰系统的设计有重要参考价值。

不同云微物理方案对飞机结冰气象条件预测评估分析

飞行安全在复杂气象条件下易受结冰影响而受到威胁。能够结合地形特征并准确预测结冰气象条件是保障飞行安全的重要因素。本文利用中尺度天气预报模型模式,以4种不同的云微物理方案组合对美国华盛顿山地区的两次结冰事件进行了数值模拟。结果表明:预测的液态水含量和温度与现有文献匹配较好,而Morrison方案组合在误差分析中表现最佳。此外,讨论了水平分辨率和云微物理方案对液态水含量和云中液滴平均有效直径预测的敏感性。由于地形所引起的垂直运动是产生云水的主要动因,较高的水平分辨率能够做出更为准确的预测。最后利用IC指数对结冰强度进行了分析,表明结冰严重程度具有明显的时空多变特性,以及对云微物理方案的敏感性。本文工作有望加强对云微物理方案的理解和认识,并为选择适合的云微物理方案进行结冰天气预测提供了依据。

飞机结冰中水滴撞击特性欧拉法的网格影响分析

过冷水滴撞击特性计算研究是飞机结冰预测与防除冰系统性能分析的基础,欧拉法是过冷水滴运动及撞击特性计算的常用方法之一,分析欧拉法在计算复杂表面水滴运动撞击时的准确性具有重要意义。以NACA 0012翼型、冰风洞风道、S形进气道及三段翼为研究对象,利用欧拉法采用不同网格计算获得了水滴运动及局部水收集系数,结果表明:当水滴运动没有受到上游部件的导流或者遮挡时,欧拉法计算结果具有网格无关性;当水滴运动受到上游部件影响发生轨迹偏转时,欧拉法计算结果具有网格相关性,不同网格计算得到的液态水含量及局部水收集系数不一致,需要进一步考虑水滴运动受到上游效应影响时网格对欧拉法计算结果的影响。

飞机积冰局部脱粘现象超声回波探测

热冲击会导致飞机蒙皮表面冰层局部碎裂和脱粘,针对目前无法有效测量冰层脱粘程度的问题,提出采用非接触超声脉冲回波技术对冰层脱粘程度进行评估。首先,采用PZFlex软件建立了包含超声传感器、飞机蒙皮与冰层的二维模型,研究了冰层内部裂缝及冰/蒙皮界面脱粘区域尺寸对冰层超声脉冲回波信号影响规律,初步获得了冰层局部脱粘超声评估方法;其次,基于LabVIEW软件搭建了由加热控制模块、温度采集模块、超声信号发生及采集模块组成的地面冷环境实验平台,通过电加热膜产生热冲击造成冰层局部区域脱粘,验证了提出的冰层局部脱粘超声评估方法的可行性。在电加热功率密度为1.6 W/cm2的作用下,铝板-冰层界面温度由-24℃升至-4℃时,探测区域内脱粘面积达到62.8%以上。结果表明,采用非接触式超声脉冲回波技术可以有效评估探测区域内冰层局部脱粘程度。该方法可用于评估飞机除冰系统工作时冰层脱粘面积,为除冰控制系统提供可靠状态信息。

飞机气动除冰系统试验研究

气动除冰技术具有能耗低、可靠性高的优点,广泛应用于小型商用飞机以及通用航空飞机。研究不同参数对气动除冰效果的影响,是飞机气动除冰系统设计和优化的基础。本文通过对气囊膨胀高度的研究,发现充气时间3 s、充气气压0.2 MPa是实现气囊最佳膨胀高度的条件。在此基础上,先后在地面冷环境以及结冰风洞中建立气动除冰系统试验平台,开展了不同参数对气动除冰效果的试验研究。试验结果表明,充气时间、充气气压、气囊宽度及结冰温度对除冰率均有一定程度的影响。并且,要想实现最好的气动除冰效果,靠近前缘驻点的气囊需达到一定宽度。此外,相较于霜冰,明冰的除冰效果更佳。

基于Messinger扩展模型蒸发对结冰溢流特性的影响研究

传统Messinger扩展模型将蒸发简化为壁面温度的线性函数,以便推导冰层和水膜温度微分方程的原函数。但结冰过程中蒸发与壁面温度并非线性关系,若引入蒸发非线性计算式,冰层和水膜温度微分方程将无法推导出原函数。而且有研究者在应用Messinger扩展模型时忽略了蒸发对结冰的影响,在某些状态下可能造成较大误差。针对以上问题,本文对Messinger扩展模型做出改进。将冰层和水膜温度假设为带未知系数的线性方程,建立未知系数的隐示表达式,采用牛顿迭代对未知系数进行求解,以数值迭代代替方程推导。基于NACA0012翼型,对忽略蒸发以及采用不同蒸发计算式对结冰外形的影响进行了分析。通过计算不同环境温度下的结冰外形,并与FENSAP-ICE软件和试验冰形进行对比,验证了该改进方法的有效性。

我国飞机试飞气象保障服务的发展现状与展望

随着我国航空工业的发展,特别是国产民机型号研制的不断突破,飞机试飞气象保障服务与技术研究不断受到各界的重视。飞机试飞场景特殊性、高风险性、复杂性的特点,对气象服务提出了全新的要求。本文阐述了试飞气象保障服务的主要内容,结合在保障型号取证试飞过程中的里程碑事件和重点科目,分析了当前试飞气象保障服务的发展现状,并考虑到未来随着飞机制造和试飞事业进一步发展的需求,以飞机结冰和颠簸为例,讨论了下一阶段试飞气象保障技术研究的重点方向,希望能为将来更好地保障国产大飞机事业发展提供气象参考意见。

基于可达集方法的结冰飞机着陆阶段安全风险评估

飞机在着陆过程中极易发生结冰的现象,结冰对飞行安全造成的危害极为严重。结冰导致飞机发生危险的原因是由于机翼或尾翼被冰层覆盖后空气动力学行为发生改变,飞机受力异常难以控制。为分析结冰后飞机的稳定性以保证飞行安全,以飞机纵向动力学系统为分析对象,将飞机结冰后状态的描述以可达集的形式进行,直观地判断飞机状态是否可控,以此确定飞机是否处于安全状态。以求解所得的可达集为基础,利用极值定理分析结冰飞机的风险概率模型,由模型计算不同情况下飞机的风险概率,最终得到飞机着陆阶段的安全风险评估结果,并由评估结果指导驾驶员操纵,从而保证飞机的安全飞行。

基于动力学边界的结冰飞机安全预警方法

结冰严重破坏飞机的动力学特性,使飞机的非线性和动力学耦合特性表现明显,导致传统的安全预警方法无法准确有效地评估飞行存在的潜在风险,易引发飞行事故。为解决此问题,提出了一种基于动力学边界的新型安全预警方法,该方法可综合考虑飞机的动力学耦合特性,可为结冰飞机的实时安全预警系统的构建提供有力的理论支撑。首先,基于微分流形理论确定结冰飞机精确的动力学边界,并详细分析了飞机结冰对动力学边界的影响;其次,利用动力学边界相对距离对飞行风险进行量化,结合动力学边界的特性确定了安全预警的方法;最后,搭建了飞行仿真训练系统,并以着陆为训练科目,通过与传统迎角安全预警方法对比,得到基于动力学边界安全预警方法的优越性。研究结果表明,相比于传统迎角限制方法,动力学边界安全预警方法可提前发现飞行中存在的潜在风险,且基于此方法的飞行训练系统可对驾驶员进行结冰安全操纵训练可提高结冰飞机的飞行安全。

结冰飞机着陆阶段飞行安全包线确定及操纵应对策略

结冰会导致飞行安全包线收缩、严重威胁飞行安全,研究结冰后安全包线变化对于操纵应对策略设计及提高飞行安全具有重要意义。以美国国家航空航天局(NASA)的项目飞机GTM(Generic Transport Model)为研究对象,通过对飞机的气动参数进行多项式拟合,建立了结冰飞机纵向通道的动力学模型。为了得到能随结冰程度变化的安全包线,将可达性分析理论引入到对结冰飞机着陆过程的安全性分析。提出将正向可达集与反向可达集的交集作为飞行安全包线,其中可达集的确定是基于水平集方法求解哈密尔顿-雅克比方程的最优解。最后针对不同程度的结冰条件进行了操纵时域验证,并提出了相应的操纵控制策略。研究结果表明,轻度结冰对安全包线影响较小,整个着陆过程的飞行状态始终能在最优控制指导下保持在安全包线以内;但对于重度结冰,飞行安全包线收缩严重,常规操纵已经很难使飞机达到着陆要求,需要进行飞行状态改出处理。研究结果为指导飞行操纵及实时包线保护打下基础。

飞机结冰特性及防除冰技术研究

了解结冰对飞行的危害、预测结冰的特性和发展防除冰方法,对于保证飞行安全极为重要。阐述结冰的形成及其严重程度度量方法,分析结冰对飞机气动、操稳及起降特性的影响,总结现有的飞机防冰与除冰技术,并对飞机防冰试验进行综述。考虑到带冰飞行是不可避免的,强调容冰技术对于保障安全飞行的重要性,并给出结冰条件下的操纵建议。研究表明,影响飞机结冰的因素不同导致结冰严重程度上存在差异,结冰对飞机特性影响较大,导致飞行性能下降,而防除冰技术的使用及容冰能力的提高对于确保结冰条件下的飞行安全意义重大。

基于相平面法的结冰飞机纵向非线性稳定域分析

结冰是威胁飞机飞行安全的重要因素之一,研究结冰后飞机稳定性及稳定域范围对飞机操纵安全和飞行安全极其重要。由于结冰后大飞机失速迎角提前,仅仅研究小迎角线性阶段的飞行稳定性显然不能满足要求。首先根据飞机迎角和升力曲线非线性关系建立了结冰条件下大迎角阶段飞机纵向非线性系统模型,然后通过相平面法刻画了迎角和俯仰角速度构成的不同飞行状态下飞机的纵向运动的稳定域,并探讨了迎角和俯仰角速度对纵向稳定性的影响规律,最后针对稳定域内外的不同初始状态,进行了零输入响应时域仿真,验证了相平面法确定的稳定域的有效性和准确性。研究结果可为飞机结冰后的稳定边界确定和边界保护提供一定的参考。

结冰飞机的包线保护与控制裕度研究

飞机结冰具有不确定性和随机性,会破坏飞机的动力学特性,威胁飞行安全.针对这一问题,对结冰飞机的安全边界保护和控制裕度计算展开探究.首先,应用可达集方法,将结冰的作用看作不确定性对抗输入,分析结冰对飞机安全包线边界的影响;然后,基于已知的结冰飞机飞行安全包线,提出两种包线边界保护方法,第1种是改进的最优控制边界保护方法,通过引入新型的最优控制保护动作的切换策略消除传统最优控制保护方法的控制量抖振现象,第2种是保留驾驶员操作权限的安全边界保护方法,通过计算安全边界上的可用控制指引驾驶员完成正确的操作,使得飞机飞行状态不超出安全包线;最后,通过实时计算飞机当前状态点的控制裕度对飞机超出包线进行提前预防,指引驾驶员完成安全程度较高的操作,并提出一种新型的控制裕度迭代计算策略,能够有效降低控制裕度计算的保守性.

飞机在结冰条件下的最优边界保护方法

为确保结冰条件下的飞行安全并充分发挥飞机性能,提出了一种最优边界保护方法.以关键参数及其变化速率为控制对象,在分析最优边界保护下关键参数及其变化速率特性的基础上,选取调节量和调节时机作为调节参数,并构建这2个调节参数最优值之间的解析关系.针对机翼失速问题,给出动态飞行边界的确定方法,最终通过计算实现结冰条件下的最优边界保护.仿真结果表明,该方法行之有效,为结冰条件下的飞行安全研究拓展了新的思路.

民用飞机结冰研究相关技术及进展

飞机结冰是影响飞行安全的重要因素之一,结冰研究对分析民机安全性、适航性等具有重要意义。简述了飞机结冰形成机理以及对飞行特性的影响,描述了按结冰部件、结冰物理过程和几何形状的结冰分类形式,介绍了结冰研究的三种主要方法,分析了与结冰相关的应用研究,包括防/除冰方法和适航验证技术,最后对飞机结冰研究进行了讨论和展望。

超声导波技术用于飞机结冰探测的实验研究

能有效地探测到由云层中的过冷水滴引起的飞机结冰是飞机安全飞行的必要保障。该文以超声导波和结构健康技术在3种传感器布局方式下,对所监控区域的结冰情况进行图像重构。实验结果表明,在圆形布局下结冰图像重构质量较好;在平行布局下,也能在平行线中心附近较好地反映结冰情况;在机翼布局下,能检测到结冰存在,并且能大致反映结冰程度最严重的区域。该文还利用了S0模态截断思想,能减小水或其他液体对重构图像质量的影响。

飞机结冰引起的飞行动力学问题探讨

飞机在结冰后,飞行性能、稳定性、操纵性都受到不同程度的影响,对这些问题进行了阐述,并分析了其原因。为定性地说明问题,给出了一些算例和试飞数据。最后,概要性地分析了结冰后的飞行动力学问题,并展望了以后的研究方向。

一种改进的飞机自然结冰潜势算法研究

飞机结冰严重危害飞行安全,随着国产大飞机计划的推进以及自然结冰试飞试验的开展,飞机结冰研究越来越引起了民航和气象等诸多部门的重视。本文介绍了一个改进的飞机自然结冰潜势算法,该算法直接基于大气温湿层结给出结冰潜势,可以识别多种天气条件下(包括冻雨)的飞机结冰可能,具有命中率高、虚警率低、应用简便、实用性强的特点。用26个飞机结冰试飞(飞行)报告对该算法进行了检验和评估,发现该算法能较好地估测多种天气条件下飞机在飞行中实际遭遇结冰的情况,且能给出结冰的区域和大致高度。同时,在安庆的一次飞机自然结冰外场试验中对该方法进行了应用,发现结合地面观测、探空秒数据和卫星资料等,该结冰潜势诊断方法可以准确诊断结冰层的高度和随时间的变化,与飞机实际空中探测具有较高的符合度。

谐振式飞机结冰探测传感器仿真及实验研究

为实现飞机表面积冰厚度非接触式高精度测量,建立压电传感器、铝板及冰层组成的有限元仿真模型,通过机电阻抗分析法研究了飞机结冰厚度对系统谐振频率及阻抗的影响规律,获得压电传感器设计参数;搭建地面冷环境实验平台,采用阻抗分析仪测量不同结冰温度和积冰厚度作用下的系统谐振频率。结果表明:基于压电传感器的谐振探测法能够有效测量基体表面0.2~5 mm厚度的冰层,可有效测量不同温度下积冰厚度;系统谐振频率与结冰温度及基体表面结冰厚度成反比关系,而系统电阻抗与结冰厚度成正比关系。