CN106873615A - 应急返场着陆速度指令集设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行控制技术，提出一种应急返场着陆速度指令集设计方法，包括：(1)构建质量、滚转角、机场高度、高度、速度参数网格，计算飞机匀速下滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率，确定随质量、滚转角、机场高度、高度变化的最大升阻比速度和空滑最大可用速度，对最大升阻比速度和空滑最大可用速度之间的速度范围进行N+1等分，加上最大升阻比速度和空滑最大可用速度，共建立N+2档速度指令集，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率；(3)飞机记录所述N+2档速度指令集，当飞机应急返场时，根据飞机质量、机场高度、高度、速度以及与机场的距离，选择适合的速度指令集档位执行。

Description

应急返场着陆速度指令集设计方法

技术领域

本发明属于飞行控制技术，具体涉及一种飞机无动力返场着陆自主制导控制技术。

背景技术

当飞机在空中出现发动机停车故障时，飞机性能降级，只能做下滑飞行。为保障飞行安全，需要对飞机的速度进行控制修改飞行轨迹，避免出现轨迹过度上拉导致失速的情况，同时亦可以调节飞机滑翔的升阻比尽可能将飞机降落在机场跑道上。文献《轮式起降无人机应急着陆控制律设计》给出了一种空滑返回着陆问题的难点分析和解决途径：1)在过渡飞行阶段中采用最大升阻比速度下滑飞行，最大化飞机的可飞行距离，确保在多种不确定性和干扰因素下飞机仍能够具有到达机场附近的能力；2)当飞机的可飞距离过长，即到达机场附近时能量过高时，采用盘旋降高的方式消耗多余的能量。该方案物理意义明确，操作简单。但是在应用于工程实际时缺乏对以下三个问题的考虑：1)在空滑返回的过程中，要进行发动机空中启动，以最大升阻比滑翔可能无法达到发动机空起的速度条件；2)如果采用最大升阻比速度下滑，在可飞速度范围内飞行速度应偏小，相比其它速度而言，飞行距离和时间都相对较长，可能飞机尚未滑至机场电池就已经消耗殆尽，依然无法安全着陆。3)发动机空中停车的条件不确定，对于相同高度但远近、能量状态不同的停车情况，实际飞行距离却相差无几，下滑速度策略不够灵活。

发明内容

本发明的目的是：本发明提出一种应急返场着陆速度指令集设计方法，能够为空滑制导律提供更灵活多变的指令选择方案，提高空滑时间小于电池可用时间的可行性。

本发明的技术方案是：一种应急返场着陆速度指令集设计方法，包括：

(1)构建质量、滚转角、机场高度、高度、速度参数网格，计算飞机匀速下滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率，确定随质量、滚转角、机场高度、高度变化的最大升阻比速度和空滑最大可用速度，对最大升阻比速度和空滑最大可用速度之间的速度范围进行N+1等分，加上最大升阻比速度和空滑最大可用速度，共建立N+2档速度指令集，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率；

(3)飞机记录所述N+2档速度指令集，当飞机应急返场时，根据飞机质量、机场高度、高度、速度以及与机场的距离，选择适合的速度指令集档位执行。

在步骤(1)与步骤(3)之间包括：

(2)用发动机空中重启和空滑着陆所需的高度与速度的对应关系修正N+2档速度指令集，并更新每档速度指令集的内容，包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(1)包括：

(11)在飞机质量m、机场高度gnd、滚转角φ、高度H、速度V可变化范围内，构建计算网格；

(12)在计算网格各点，利用带滚转角的配平条件进行飞机匀速下滑性能的计算：

其中：W＝mg为飞机的重力，g为重力加速度；L、D为飞机的升力和阻力，M_y为飞机的俯仰力矩，均为随攻角α、升降舵δ_e，高度H和速度V变化的气动参数。θ为飞机的俯仰角；

用方程组数值求解方法，得到满足配平条件的攻角α、升降舵δ_e，俯仰角θ；根据气动参数计算方法求解升力L和阻力D；

计算升阻比K_L/D：

K_L/D＝L/D

计算轨迹角γ：

γ＝θ-α

计算下沉率V_s：

V_s＝Vsinγ

(13)将给定质量、滚转角、高度、机场高度条件下，最大升阻比速度作为航迹最远速度，最大计算速度作为航迹最近速度，对两个速度之间的区间N+1等分，按照航迹最远速度、1…N等间隔速度、航迹最近速度顺序排列，得到N+2个档位的速度指令集合，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(2)包括：

(21)将发动机空起窗口和空滑进近窗口条件，表征为相应高度层的速度指令，对应替换原有速度指令；

(22)对新速度指令与原速度指令的衔接处进行线性插值平滑处理，根据平均下沉率计算插值段最短长度；

(23)在发动机空起窗口后的高度层，将各档位的速度指令均选用最中间档位的速度指令；

(24)飞机与机场的相对高度大于300m处更新的速度指令，其对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率由参数网格计算结果插值得到；飞机与机场的相对高度小于300m处更新的速度指令，需补充计算在起落架放下状态下空滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(3)包括：

(31)根据飞机当前速度V和最大可用滚转角φ_max，估算飞机调转方向所需的最大航程

根据机场高度gnd、高度H以及与机场的距离Dis，计算飞机空滑返回所需的平均升阻比K_need

(32)查速度指令表，得到飞机质量m，机场高度gnd，滚转角φ_max条件下的N+2档速度指令。对第i个档位的速度指令求解从机场高度到飞机高度范围内的升阻比的平均值其中i＝1，2，…,N+2；

(33)如果存在i，使得则选择使最小的一档速度指令，用于空滑返回的轨迹设计和制导决策。否则，当前状态可能无法安全返回，选用升阻比最大的第1档速度指令用于空滑返回的轨迹设计和制导决策，尽可能发挥滑翔能力。

本发明的优点是：本发明给出了一种基于飞机无动力下滑性能和发动机空中重起条件设计空滑速度指令集的方法，为飞机空滑返场着陆的工程实现提供了更优的指令设计途径。所得到的多档位指令集，不仅能够支持发动机空启，而且相同的重启后速度指令设计使飞行状态能够收敛于期望的着陆状态，同时停车初期的分档速度指令设计使制导律可通过在线调度实现对可飞距离和飞行时间的灵活调整。相比最大升阻比飞行，多档位速度指令集可实现更多下滑飞行轨迹，在高空近距离低能量的初始条件下，可节约超过20％的飞行时间。

附图说明

图1是某机型在给定质量、滚转角为零时，不同高度下配平升阻比随速度的分布图。

图2是某机型在给定质量和机场高度下，11档速度指令设计结果图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

一种应急返场着陆速度指令集设计方法，包括：

(1)构建质量、滚转角、机场高度、高度、速度参数网格，计算飞机匀速下滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率，确定随质量、滚转角、机场高度、高度变化的最大升阻比速度和空滑最大可用速度，对最大升阻比速度和空滑最大可用速度之间的速度范围进行N+1等分，加上最大升阻比速度和空滑最大可用速度，共建立N+2档速度指令集，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率；

(3)飞机记录所述N+2档速度指令集，当飞机应急返场时，根据飞机质量、机场高度、高度、速度以及与机场的距离，选择适合的速度指令集档位执行。

在步骤(1)与步骤(3)之间包括：

(2)用发动机空中重启和空滑着陆所需的高度与速度的对应关系修正N+2档速度指令集，并更新每档速度指令集的内容，包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(1)包括：

(11)在飞机质量m、机场高度gnd、滚转角φ、高度H、速度V可变化范围内，构建计算网格；

(12)在计算网格各点，利用带滚转角的配平条件进行飞机匀速下滑性能的计算：

其中：W＝mg为飞机的重力，g为重力加速度；L、D为飞机的升力和阻力，M_y为飞机的俯仰力矩，均为随攻角α、升降舵δ_e，高度H和速度V变化的气动参数。θ为飞机的俯仰角；

用方程组数值求解方法，得到满足配平条件的攻角α、升降舵δ_e，俯仰角θ；根据气动参数计算方法求解升力L和阻力D；

计算升阻比K_L/D：

K_L/D＝L/D

计算轨迹角γ：

γ＝θ-α

计算下沉率V_s：

V_s＝Vsinγ

(13)将给定质量、滚转角、高度、机场高度条件下，最大升阻比速度作为航迹最远速度，最大计算速度作为航迹最近速度，对两个速度之间的区间N+1等分，按照航迹最远速度、1…N等间隔速度、航迹最近速度顺序排列，得到N+2个档位的速度指令集合，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(2)包括：

(21)将发动机空起窗口和空滑进近窗口条件，表征为相应高度层的速度指令，对应替换原有速度指令；

(22)对新速度指令与原速度指令的衔接处进行线性插值平滑处理，根据平均下沉率计算插值段最短长度；

(23)在发动机空起窗口后的高度层，将各档位的速度指令均选用最中间档位的速度指令；

(24)飞机与机场的相对高度大于300m处更新的速度指令，其对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率由参数网格计算结果插值得到；飞机与机场的相对高度小于300m处更新的速度指令，需补充计算在起落架放下状态下空滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

步骤(3)包括：

(31)根据飞机当前速度V和最大可用滚转角φ_max，估算飞机调转方向所需的最大航程

根据机场高度gnd、高度H以及与机场的距离Dis，计算飞机空滑返回所需的平均升阻比K_need

(32)查速度指令表，得到飞机质量m，机场高度gnd，滚转角φ_max条件下的N+2档速度指令。对第i个档位的速度指令求解从机场高度到飞机高度范围内的升阻比的平均值其中i＝1，2，…,N+2；

(33)如果存在i，使得则选择使最小的一档速度指令，用于空滑返回的轨迹设计和制导决策。否则，当前状态可能无法安全返回，选用升阻比最大的第1档速度指令用于空滑返回的轨迹设计和制导决策，尽可能发挥滑翔能力。

实施例

以某机型为例，给定飞机质量和机场高度1500m等条件，给定发动机重启窗口为高度层3-6km处以速度450km/h飞行，给出设计多档速度指令集的主要步骤和结果：

第一步：生成参数网格，计算空滑性能并设计多档速度指令，部分网格点升阻比随速度分布曲线如图1所示。

1)以100m为高度间隔，形成从机场高度到最大高度之间的高度计算序列；取0:10:30的滚转角序列；查询当前质量对应的飞行包络，计算高度序列各点的速度范围并进行50等分，得到滚转角-高度-速度参数网格；在参数网格的每一个点，计算匀速下滑配平的攻角、俯仰角、升降舵、升阻比和下沉率。

2)将滚转角和高度序列组合，得到滚转角-高度网格；在滚转角-高度网格的每个点处，搜索配平升阻比最大的点，作为航迹最远速度，将最大速度点作为航迹最近速度；将航迹最远速度和航迹最近速度构成的速度区间10等分，按照航迹最远速度、1…9级等间隔速度、航迹最近速度前后顺序排列，将查找之后的11个点进行排列，就得到了11档位的速度指令；1…9级等间隔速度所对应的配平轨迹角、升阻比和升降舵由性能计算结果插值得到。

第二步：根据发动机重启窗口条件、着陆窗口条件等重新生成分档指令集合，速度指令设计结果如图2所示：

1)空起前飞行段(7km以上飞行段)：直接采用多档位速度指令设计结果。

2)发动机空起段(2-7km高度段)：按照发动机空起窗口条件，在3-6km高度层内速度指令设计为450km/h，经过平均下沉率计算，在2-3km和6-7km处设置两个1000m过渡高度层，通过线性插值将速度指令平滑过渡。

3)发动机空起失败后飞行段：该算例发动机空起段末端相对高度已达到了500m，已抵达进近窗口附近，因此取消发动机空起失败后飞行段。

4)进近航行段(1515-2000m)：选用着陆速度240km/h，飞行性能参数对应起落架放下状态。

Claims (5)

1.一种应急返场着陆速度指令集设计方法，其特征在于，包括：

(1)构建质量、滚转角、机场高度、高度、速度参数网格，计算飞机匀速下滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率，确定随质量、滚转角、机场高度、高度变化的最大升阻比速度和空滑最大可用速度，对最大升阻比速度和空滑最大可用速度之间的速度范围进行N+1等分，加上最大升阻比速度和空滑最大可用速度，共建立N+2档速度指令集，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率；

(3)飞机记录所述N+2档速度指令集，当飞机应急返场时，根据飞机质量、机场高度、高度、速度以及与机场的距离，选择适合的速度指令集档位执行。

2.如权利要求1所述的一种应急返场着陆速度指令集设计方法，其特征在于，在步骤(1)与步骤(3)之间包括：

(2)用发动机空中重启和空滑着陆所需的高度与速度的对应关系修正N+2档速度指令集，并更新每档速度指令集的内容，包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

3.如权利要求1所述的一种应急返场着陆速度指令集设计方法，其特征在于，步骤(1)包括：

(11)在飞机质量m、机场高度gnd、滚转角φ、高度H、速度V可变化范围内，构建计算网格；

(12)在计算网格各点，利用带滚转角的配平条件进行飞机匀速下滑性能的计算：

$\left.\begin{array}{c}L-W(\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ})-\frac{{\mathrm{Wsin}}^2{\mathrm{\φcos}}^2\mathrm{\θ}}{(\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ})}=0\\ -D+W(-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ})=0\\ M_y=0\end{array}\right\}$

其中：W＝mg为飞机的重力，g为重力加速度；L、D为飞机的升力和阻力，M_y为飞机的俯仰力矩，均为随攻角α、升降舵δ_e，高度H和速度V变化的气动参数。θ为飞机的俯仰角；

用方程组数值求解方法，得到满足配平条件的攻角α、升降舵δ_e，俯仰角θ；根据气动参数计算方法求解升力L和阻力D；

计算升阻比K_L/D：

K_L/D＝L/D

计算轨迹角γ：

γ＝θ-α

计算下沉率V_s：

V_s＝Vsinγ

(13)将给定质量、滚转角、高度、机场高度条件下，最大升阻比速度作为航迹最远速度，最大计算速度作为航迹最近速度，对两个速度之间的区间N+1等分，按照航迹最远速度、1…N等间隔速度、航迹最近速度顺序排列，得到N+2个档位的速度指令集合，每档速度指令集的内容包括该档速度对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

4.如权利要求2所述的一种应急返场着陆速度指令集设计方法，其特征在于，步骤(2)包括：

(21)将发动机空起窗口和空滑进近窗口条件，表征为相应高度层的速度指令，对应替换原有速度指令；

(22)对新速度指令与原速度指令的衔接处进行线性插值平滑处理，根据平均下沉率计算插值段最短长度；

(23)在发动机空起窗口后的高度层，将各档位的速度指令均选用最中间档位的速度指令；

(24)飞机与机场的相对高度大于300m处更新的速度指令，其对应的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率由参数网格计算结果插值得到；飞机与机场的相对高度小于300m处更新的速度指令，需补充计算在起落架放下状态下空滑的攻角、升降舵、升阻比、轨迹角、下沉率。

5.如权利要求1所述的一种应急返场着陆速度指令集设计方法，其特征在于，步骤(3)包括：

(31)根据飞机当前速度V和最大可用滚转角φ_max，估算飞机调转方向所需的最大航程

$Cir=\frac{2{\mathrm{\πV}}^2}{g{\mathrm{tan\φ}}_{max}}$

根据机场高度gnd、高度H以及与机场的距离Dis，计算飞机空滑返回所需的平均升阻比K_need

$K_{need}=\frac{Dis+Cir}{H-gnd}$

(32)查速度指令表，得到飞机质量m，机场高度gnd，滚转角φ_max条件下的N+2档速度指令。对第i个档位的速度指令求解从机场高度到飞机高度范围内的升阻比的平均值其中i＝1，2，…,N+2；

(33)如果存在i，使得则选择使最小的一档速度指令，用于空滑返回的轨迹设计和制导决策。否则，当前状态可能无法安全返回，选用升阻比最大的第1档速度指令用于空滑返回的轨迹设计和制导决策，尽可能发挥滑翔能力。