CN113190024B - 一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,若飞机停车时具备空滑至指定机场的能力,则以最佳迫降航线迫降着陆;若飞机停车时不具备空滑至指定机场的能力,则判断飞机空滑可达域范围内是否存在其它可迫降机场,若有,则规划指定机场最佳空滑迫降航线及迫降着陆,若没有,则在飞机空滑域范围内选择跳伞点。本发明从有效剩余能量高度的角度为有人机无动力迫降进行引导,通过有效剩余能量高度快速得到最佳迫降航线,操作可靠安全。
Description
技术领域
本发明属于有人飞机空滑迫降***的技术领域,具体涉及一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法。
背景技术
发动机是飞机的动力来源,为飞机飞行提供所需的推力或力矩,并通过传动附件为飞机提供液压、引气及电源等,是保证飞机正常飞行的关键。发动机一旦发生空中停车且空中起动失败,则要求飞行员和空管人员尽快根据飞机当前状态做出跳伞或空滑迫降至可着陆机场的决策,以最大限度确保生命财产安全。
目前,国内外针对飞行器无动力返场迫降的研究大多数都围绕无人机***基于返场总能量管理展开,主要涉及应急着陆控制技术、返场航迹规划与控制技术等,而适用于有人机的无动力迫降问题研究较少。本发明基于有效剩余能量高度法设计,为有人机无动力迫降决策提供剩余能量依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,旨在解决上述问题。
本发明主要通过以下技术方案实现:
一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,若以机场为中心,迫降航线分为航向调整段、纵向平面下滑段、着陆航向调整段和着陆纵向平面下滑段,且各段对应的水平飞行距离分别为l54、l43、l32、l21,且对应损失的能量高度分别为h54、h43、h32、h21;飞机在航向调整段和着陆航向调整段作平衡稳定盘旋下降运动,在纵向平面下滑段和着陆纵向平面下滑段作平衡直线下滑运动;
飞机空停后以最佳空滑比对应的下滑表速空滑迫降至预定机场所需高度为基准能量高度hb,且hb=h54+h43+h32+h21;
飞机在发生空中停车时的实际飞机场高为hr,若此时飞机停车表速等于最佳下滑表速,则飞机有效能量高度hs等于实际飞机场高为hr;若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,则飞机需在调整航向后在纵向平面下滑段做柔和机动调整下滑表速,确保飞机以最佳下滑表速进行空滑迫降;飞机实际具有的有效能量高度hs为飞机停车调整航向时的飞机场高hr与调整最佳下滑表速的有效能量高度h44′之和;
飞机从指定待迫降机场跑道两端迫降着陆,则存在四种飞行迫降航线,分别计算四种飞行迫降航线的有效剩余能量高度Δh=hs-hb,且选择有效剩余能力最大的一条迫降航线作为最佳迫降航线;
若以飞机为中心,则飞机在无动力状态下从0°到360°左转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域,以及从0°到360°右转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域的并集构成的区域,作为飞机空滑可达域;
若飞机停车时具备空滑至指定机场的能力,则以最佳迫降航线迫降着陆;若飞机停车时不具备空滑至指定机场的能力,则判断飞机空滑可达域范围内是否存在其它可迫降机场,若有,则规划指定机场最佳空滑迫降航线及迫降着陆,若没有,则在飞机空滑域范围内选择跳伞点。
为了更好地实现本发明,进一步地,若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,且飞机停车表速大于最佳下滑表速,则通过直线爬升减速或者直线平飞减速调整表速;若lps>lpf;则采用直线爬升减速调整,否则采用直线平飞减速调整;且有效能量高度h44′计算公式如下:
其中:
lpf为飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
lps为飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离;
l′ps为飞机以最佳爬升角无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
l″ps为飞机以最佳空滑表速飞行损失高度hps所对应的水平飞行距离;
且lps=l′ps+l″ps;
若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,且飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速,则采用俯冲加速方法使飞机空滑表速等于最佳空滑表速;对应的换算能量高度如下:
h44′=h′xh-hxh
其中:
lxh为飞机以最佳下滑角无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
h′xh飞机以最佳空滑表速飞行水平飞行距离lxh所对应的损失高度;
hxh为飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的下滑高度。
为了更好地实现本发明,进一步地,h54、h43、h32、h21的计算公式如下:
其中:
δ为转弯弧度,D为阻力,m为飞机质量,V为真速,γ为航迹倾角,L为升力,φ为坡度,k1和k2分别为不带起落架和带起落架的最佳空滑比。
本发明的有益效果:
(1)本发明从有效剩余能量高度的角度为有人机无动力迫降进行引导,通过有效剩余能量高度快速得到最佳迫降航线,操作可靠安全;
(2)本发明基于飞机的最佳空滑比,实现了飞行能量有效转换,有效提高了飞机空滑迫降有效能量计算精度,并且,通过仿真验证后发现,本发明计算得到的飞机空滑迫降飞行能量介于空中停车表速计算飞机空滑迫降飞行能量和最佳空滑迫降表速计算飞行能量之间,符合飞行理论。
附图说明
图1为飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速时的仿真曲线图;
图2为飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速时的仿真曲线图;
图3为实施例3中飞机升阻特性曲线图;
图4为实施例3中飞机空滑特性曲线图;
图5为指定迫降机场飞机空滑迫降着陆示意图;
图6为空滑迫降航线平面示意图;
图7为飞机空滑迫降可达域示意图;
图8为本发明的工作流程图;
图9为本发明的整体原理框图。
具体实施方式
实施例1:
一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,若以机场为中心,迫降航线分为航向调整段、纵向平面下滑段、着陆航向调整段和着陆纵向平面下滑段,且各段对应的水平飞行距离分别为l54、l43、l32、l21,且对应损失的能量高度分别为h54、h43、h32、h21;飞机在航向调整段和着陆航向调整段作平衡稳定盘旋下降运动,在纵向平面下滑段和着陆纵向平面下滑段作平衡直线下滑运动。
飞机空停后以最佳空滑比对应的下滑表速空滑迫降至预定机场所需高度为基准能量高度hb,且hb=h54+h43+h32+h21;
飞机在发生空中停车时的实际飞机场高为hr,若此时飞机停车表速等于最佳下滑表速,则飞机有效能量高度hs等于实际飞机场高为hr;若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,则飞机需在调整航向后在纵向平面下滑段做柔和机动调整下滑表速,确保飞机以最佳下滑表速进行空滑迫降;飞机实际具有的有效能量高度hs为飞机停车调整航向时的飞机场高hr与调整最佳下滑表速的有效能量高度h44′之和;
如图6(a)-图6(d)所示,飞机从指定待迫降机场跑道两端迫降着陆,则存在四种飞行迫降航线,分别计算四种飞行迫降航线的有效剩余能量高度Δh=hs-hb,且选择有效剩余能力最大的一条迫降航线作为最佳迫降航线;
如图7所示,若以飞机为中心,则飞机在无动力状态下从0°到360°左转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域,以及从0°到360°右转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域的并集构成的区域,作为飞机空滑可达域;
如图8所示,若飞机停车时具备空滑至指定机场的能力,则以最佳迫降航线迫降着陆;若飞机停车时不具备空滑至指定机场的能力,则判断飞机空滑可达域范围内是否存在其它可迫降机场,若有,则规划指定机场最佳空滑迫降航线及迫降着陆,若没有,则在飞机空滑域范围内选择跳伞点。
实施例2:
一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,如图9所示,旨在帮助飞行员或指挥员根据飞机空停后的飞行状态及时做出迫降与否的决策,以提高飞机发生空中停车险情后应急处置的成功率。决策判据是基于飞机等效能量高度,为达到上述目的,本发明采用的技术方案包括:
1)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***的决策与引导基于飞机无动力状态下的最佳迫降航线规划。
2)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***分为两大功能模块。分别为①以机场为中心,针对该迫降机场的无动力迫降决策与引导;②以飞机为中心,飞机无动力空滑可到达区域的迫降决策与引导。
3)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***功能①设计与计算如下:
4)功能①模块下,即针对指定待迫降机场,飞机在无动力状态下的最佳迫降航线规划。
5)飞机无动力迫降航线规划依据飞机在发生空中停车时与指定迫降机场的位置、航向关系及飞机转弯性能和空滑性能。
6)针对指定迫降机场,如图5(A)-图5(C)所示,飞机迫降着陆航线存在三种可能性,即A飞机正对迫降机场跑道着陆;B飞机转弯后对准迫降机场跑道着陆;C飞机转弯后对准机场附近某一规划目标点空滑,到达该目标点后再转弯对准跑道着陆。A和B是C的特例,不失一般性,如图5(C)以及图6(a)-图6(d)所示,迫降航线分为航向调整段、纵向平面下滑段、着陆航向调整段和着陆纵向平面下滑段,分别用5-4、4-3、3-2和2-1表示。
7)飞机可从指定待迫降机场跑道两端迫降着陆,存在四种可能飞行迫降航线,如图6(a)-图6(d)所示。
8)选择7)中四条迫降航线中的最优航线作为飞机迫降规划航线。
9)针对指定迫降机场的最优空滑迫降航线选取计算如下:
10)不失一般性,飞机在航向调整段和着陆航向调整段作受力平衡稳定盘旋下降运动,在纵向平面下滑段和着陆纵向平面下滑段作受力平衡直线下滑运动。据此计算得到各迫降阶段的水平飞行距离l54、l43、l32、l21。
11)根据飞机气动特性,确定最佳空滑比及对应的下滑表速,该下滑表速为最佳下滑表速。
12)由飞机受力平衡稳定盘旋下降运动和纵向平面下滑运动的动力学方程和运动方程可得各迫降阶段飞行距离l54、l43、l32、l21对应的损失能量高度h54、h43、h32、h21。
13)将12)中各迫降阶段的损失能量高度之和称为基准能量高度hb,即hb=h54+h43+h32+h21。
14)飞机在发生空中停车时的实际飞机场高为hr,若此时飞机停车表速等于最佳下滑表速,则飞机有效能量高度hs=hr。
15)若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,即飞机停车表速大于或者小于最佳下滑表速,飞机需在调整航向后在纵向平面下滑阶段做柔和机动调整下滑表速,确保飞机以最佳下滑表速进行空滑迫降。下滑表速的调整阶段用4-4′表示,如图5(C)所示。
16)飞机停车表速大于最佳下滑表速,需将飞机拥有的动能转换为势能。存在两种动能换势能调整方法:一种是通过直线爬升减速,一种是通过直线平飞减速。根据动力学方程和运动方程及升阻特性,分别可得到两种能量调整方法对应飞行高度不变状态下的换算水平飞行距离lps和lpf。若lps>lpf,则采用爬升减速运动调整,否则采用平飞减速运动调整。
17)飞机停车表速小于最佳下滑表速,通过俯冲动作,结合飞机升阻特性,以势能换动能进行表速调整。
18)迫降过程中4-4′阶段的动能换势能或势能换动能调整过程得到的有效能量高度用h44′表示。若是动能换势能,则h44′为正,否则为负。
19)飞机实际具有的有效能量高度hs为飞机停车调整航向时的飞机场高hr与调整最佳下滑表速的有效能量高度h44′之和,即hs=hr+h44′,
20)分别计算出7)中四条可能迫降航线的有效剩余能量高度Δh=hs-hb。
21)选择四条可能迫降航线中有效剩余能量高度Δh最大的一条迫降航线为最佳迫降航线。
22)飞机停车后具备空滑迫降至指定机场能力的决策判据:Δh>0。
23)若飞机具备空滑迫降指定机场的能力,飞行员根据迫降航线规划时的转弯坡度、转弯半径、航向、滑翔迎角、航迹角、下滑表速等飞行参数的引导空滑至迫降机场。
24)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***功能②设计与计算如下:
25)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***功能②中的飞机无动力空滑迫降可到达区域,即飞机空滑可达域,定义为飞机在无动力状态下从0°到360°左转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域和从0°到360°右转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域的并集构成的区域,示意图7。
26)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***功能②中的飞机空滑可达域的计算涉及到的能量高度计算与该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***功能①中涉及的能量计算方法相同。
27)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***工作描述如下:
28)若飞机停车时具备空滑至指定机场的能力,则最佳迫降航线迫降着陆;若飞机停车时不具备空滑至指定机场的能力,则判断飞机空滑可达域范围内是否存在其它可迫降机场,若有则规划指定机场最佳空滑迫降航线及迫降着陆,若没有则在飞机空滑域范围内选择跳伞点。
29)该有人驾驶固定机翼飞机空滑迫降决策与引导***工作流程图,见图8。
实施例3:
本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化,若飞机停车表速偏离最佳下滑表速,则调整步骤如下:
1)飞机空中停车表速偏离飞机最佳空滑表速的情形存在两种可能性,一种是飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速,一种是飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速。
2)对于第一种情形,即飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速,采用两种减速飞行方法使飞机空滑表速等于最佳空滑表速,一种是直线平飞减速法,一种是直线爬升减速法。
3)根据飞机无动力直线平飞减速飞行的动力学方程及飞机气动特性,得到飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lpf。
4)根据飞机无动力直线爬升减速飞行的动力学方程及飞机气动特性,得到飞机以最佳爬升角无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离l′ps。
5)根据飞机无动力直线爬升减速飞行水平飞行距离与飞机爬升高度、爬升角之间的几何关系,得到飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的爬升高度hps。
6)根据飞机空滑特性,结合5)中得到的飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的爬升高度hps,得到飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的爬升高度对应的换算水平飞行距离l″ps,即飞机以最佳空滑表速飞行损失高度hps所对应的水平飞行距离。
7)飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离lps等于飞机以最佳爬升角无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离l′ps与飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的爬升高度对应的换算水平飞行距离l″ps之和,即飞机从空中停车时飞机场高h开始无动力直线爬升至飞机场高h+hps后再空滑至飞机场高h所对应的水平飞行距离,飞机以4)中所述最佳爬升角无动力直线减速飞行可获得最大有效水平飞行距离lps。
8)若飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lpf大于或等于飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离lps,则第一种情形即飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速的换算能量高度h44′等于飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lpf与飞机最佳空滑比k之比。
9)若飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lpf小于飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离lps,则第一种情形即飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速的换算能量高度h44′等于飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离lps与飞机最佳空滑比k之比。
10)对于8)和9)可用下列数学表达式统一清晰表示,即第一种情形,飞机空中停车时表速大于飞机最佳空滑表速的换算能量高度:
11)对于第二种情形,即飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速,采用俯冲加速方法使飞机空滑表速等于最佳空滑表速。
12)根据飞机无动力直线下滑加速飞行的动力学方程及飞机气动特性,得到飞机以最佳下滑角无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lxh,飞机以该最佳下滑角无动力直线下滑加速飞行可获得最大水平飞行距离lxh。
13)根据飞机无动力直线下滑加速飞行水平飞行距离与飞机下滑高度、下滑角之间的几何关系,得到飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的下滑高度hxh。
14)根据飞机空滑特性,结合12)中得到的飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lxh,得到飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lxh的换算高度h′xh,即飞机以最佳空滑表速飞行水平飞行距离lxh所对应的损失高度。
15)结合13)和14)得到第二种情形即飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速时所对应的换算能量高度h44′等于飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离lxh的换算高度h′xh与飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的下滑高度hxh之差,即h44′=h′xh-hxh。
16)据此可得到飞机空中停车时所具有的有效剩余能量高度等于飞机空中停车时飞机场高h与飞机空中停车表速偏离飞机最佳空滑表速的换算能量高度h44′之和。
如图3、图4所示,分别为某型飞机升租曲线及不同迎角下的下滑表速和空滑比,飞机质量为8400kg,参考机翼面积为24.4m2,飞机空中停车时飞机场高为8km。如图1所示,为本发明技术方案第一种偏离情况即飞机空中停车表速大于飞机最佳空滑表速时,某型飞机分别以最佳空滑表速、空中停车表速和本发明描述方法执行空滑迫降水平飞行距离仿真计算结果。如图2所示,为本发明技术方案第二种偏离情况即飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速时,某型飞机分别以最佳空滑表速、空中停车表速和本发明描述方法执行空滑迫降水平飞行距离仿真计算结果。
从飞行理论可知,当飞机空中停车表速偏离飞机最佳空滑表速时,若以飞机最佳空滑表速进行空滑迫降会高估飞机空滑水平飞行距离,若以飞机空中停车表速进行空滑迫降会低估飞机空滑水平飞行距离。从图1和图2仿真计算结果可知,本发明计算得到的飞机空滑水平飞行距离介于以飞机空中停车表速进行空滑迫降所计算飞机空滑水平飞行距离和以飞机最佳空滑表速进行空滑迫降所计算飞机空滑水平飞行距离之间,符合飞行理论。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同,故不再赘述。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种有人驾驶固定翼飞机空滑迫降决策与引导方法,其特征在于,若以机场为中心,迫降航线分为航向调整段、纵向平面下滑段、着陆航向调整段和着陆纵向平面下滑段,且各段对应的水平飞行距离分别为l54、l43、l32、l21,且对应损失的能量高度分别为h54、h43、h32、h21;飞机在航向调整段和着陆航向调整段作平衡稳定盘旋下降运动,在纵向平面下滑段和着陆纵向平面下滑段作平衡直线下滑运动;
飞机空停后以最佳空滑比对应的下滑表速空滑迫降至预定机场所需高度为基准能量高度hb,且hb=h54+h43+h32+h21;
飞机在发生空中停车时的实际飞机场高为hr,若此时飞机停车表速等于最佳空滑表速,则飞机有效能量高度hs等于实际飞机场高为hr;若飞机停车表速偏离最佳空滑表速,则飞机需在调整航向后在纵向平面下滑段做柔和机动调整下滑表速,确保飞机以最佳空滑表速进行空滑迫降;飞机实际具有的有效能量高度hs为飞机停车调整航向时的飞机场高hr与调整最佳空滑表速的有效能量高度h44′之和;
飞机从指定待迫降机场跑道两端迫降着陆,则存在四种飞行迫降航线,分别计算四种飞行迫降航线的有效剩余能量高度Δh=hs-hb,且选择有效剩余能力最大的一条迫降航线作为最佳迫降航线;
若以飞机为中心,则飞机在无动力状态下从0°到360°左转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域,以及从0°到360°右转弯沿切线直线下滑至地面的所有的点围成的区域的并集构成的区域,作为飞机空滑可达域;
若飞机停车时具备空滑至指定机场的能力,则以最佳迫降航线迫降着陆;若飞机停车时不具备空滑至指定机场的能力,则判断飞机空滑可达域范围内是否存在其它可迫降机场,若有,则规划指定机场最佳空滑迫降航线及迫降着陆,若没有,则在飞机空滑域范围内选择跳伞点;
飞机停车后具备空滑迫降至指定机场能力的决策判据:Δh>0;
若飞机停车表速偏离最佳空滑表速,且飞机停车表速大于最佳空滑表速,则通过直线爬升减速或者直线平飞减速调整表速;若lps>lpf,则采用直线爬升减速调整,否则采用直线平飞减速调整;且有效能量高度h44′计算公式如下:
其中:
k为飞机最佳空滑比;
lpf为飞机无动力直线平飞减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
lps为飞机无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的有效水平飞行距离;
l′ps为飞机以最佳爬升角无动力直线爬升减速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
l″ps为飞机以最佳空滑表速飞行损失高度hps所对应的水平飞行距离;
且lps=l′ps+l″ps;
若飞机停车表速偏离最佳空滑表速,且飞机空中停车表速小于飞机最佳空滑表速,则采用俯冲加速方法使飞机空滑表速等于最佳空滑表速;对应的换算能量高度如下:
h44′=h′xh-hxh
其中:
lxh为飞机以最佳下滑角无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的水平飞行距离;
h′xh飞机以最佳空滑表速飞行水平飞行距离lxh所对应的损失高度;
hxh为飞机无动力直线下滑加速至最佳空滑表速时的下滑高度。
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