CN117452974B - 一种运输机机场短距着陆优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于飞机控制技术领域，涉及一种运输机机场短距着陆优化方法及装置。该方法包括：给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；对接地速度以及对飞机进场航迹角离散形成多个输入序列；计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；确定与告警迎角最接近的第一差值，同时确定与擦地角最接近的第二差值；当第一差值小于第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角；基于临界迎角或临界俯仰姿态角进行插值，获得最优的接地速度与飞机进场航迹角。本申请能够快速确定最优的接地速度与飞机进场航迹角组合，缩短着陆距离。
Description
技术领域
本申请属于飞机飞行控制领域，特别涉及一种运输机机场短距着陆优化方法及装置。
背景技术
为提高任务执行性能，运输机需要以更短的距离在机场着陆。相对于常规着陆，短距着陆采用小速度与大下滑角进场，着陆航迹为一个二次曲线，省去了拉平段，可缩短13%左右的着陆距离。着陆航迹、着陆安全性、空中段飞行距离与飞机的重量、翼载荷、着陆构型的气动力、进场航迹角、接地速度、机场高度与温度等因素相关。着陆航迹优化设计，必须考虑各种设计约束，才能保证飞机着陆安全，并缩短着陆距离。
发明内容
为了缩短运输机的机场着陆距离，提高飞机任务执行效能，本申请设计了一种运输机机场短距着陆优化方法及装置。
本申请第一方面提供了一种运输机机场短距着陆优化方法，主要包括：
步骤S1、给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；
步骤S2、在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列；
步骤S3、对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；
步骤S4、确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值；
步骤S5、当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数；
步骤S6、基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角。
优选地是，步骤S1中，所述接地速度取值范围为Vcg-1.15Vs，Vcg为地面最小操纵速度，Vs为飞机失速速度；所述飞机进场航迹角取值范围为-5°到-8°。
优选地是，在步骤S2中，在所述接地速度取值范围内等间距离散出至少三个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内等间距离散出至少三个航迹角离散点。
优选地是，步骤S3进一步包括：
步骤S31、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
步骤S32、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2) (VId)2/294+1；
步骤S33、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S34、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
步骤S35、根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
优选地是，步骤S31中，最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s。
优选地是，步骤S5中，设定倍数为0.95。
本申请第二方面提供了一种运输机机场短距着陆优化装置，主要包括：
取值范围确定模块，用于给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；
输入序列生成模块，用于在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列；
迎角与姿态角计算模块，用于对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；
差值计算模块，用于确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值；
敏感参数确定模块，用于当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数；
插值计算模块，用于基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角。
优选地是，所述迎角与姿态角计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2) (VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
本申请能够快速确定最优的接地速度与飞机进场航迹角组合，缩短着陆距离。
附图说明
图1是本申请运输机机场短距着陆优化方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请第一方面提供了一种运输机机场短距着陆优化方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围。
在一些可选实施方式中，所述接地速度取值范围为Vcg-1.15Vs，Vcg为地面最小操纵速度，Vs为飞机失速速度；所述飞机进场航迹角取值范围为-5°到-8°。
步骤S2、在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列。
在一些可选实施方式中，在所述接地速度取值范围内等间距离散出至少三个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内等间距离散出至少三个航迹角离散点。
该实施例中，Vcg一般为1.05Vs，计算失速速度Vs=48.07m/s，等间距离散出三个接地速度离散点，各接地速度VId=[1.05Vs，1.1Vs，1.15Vs]。等间距离散出三个航迹角离散点，各飞机进场航迹角θap=[-6°，-7°，-8°]。
上述三个接地速度与三个飞机进场航迹角共计能够形成9个输入序列。
步骤S3、对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角。
在一些可选实施方式中，步骤S3进一步包括：
步骤S31、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
步骤S32、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2) (VId)2/294+1；
步骤S33、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S34、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
步骤S35、根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
在一些可选实施方式中，步骤S31中，最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s。对不同的接地速度VId与飞机进场航迹角θap形成的组合序列，通过上述方式能够计算出对应的接地迎角αId及接地俯仰姿态角γId。需要说明的是，在步骤S34中，确定着陆接地点的接地迎角αId还需要其他参数，例如机场高度、温度等参数，计算着陆接地点的接地迎角属于本领域的常规计算过程，不在本申请中进行详细描述。最后在步骤S35中，着陆接地点的接地迎角αId与接地航迹角θId相加即可得到着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
步骤S4、确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值。
该步骤中，擦地角Atd一般为13°，告警迎角Ayx一般为12.7°，具体可以自行设计。举例来说，对于接地速度VId=52.8814m/s、接地速度VId=-7°的组合序列，计算的接地迎角αId为12.7785°，接地俯仰姿态角γId为11.15316°，该组序列的接地迎角超过告警迎角且最接近告警迎角，第一差值为12.7785°-12.7°=0.0785°。对于接地速度VId=50.4777m/s、接地速度VId=-6°的组合序列，计算的接地迎角αId为17.1379°，接地俯仰姿态角γId为15.43517°，该组序列的接地俯仰姿态角超过擦地角且最接近擦地角，第二差值为15.43517°-13°=2.43517°。
步骤S5、当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数。
由上述计算的实施例可知，第一差值小于第二差值，也就是接地迎角为敏感参数，当接地迎角为敏感参数时，需要计算临界迎角。在一些可选实施方式中，设定倍数为0.95。据此，临界迎角为12.7*0.95=12.1°。
步骤S6、基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角。
根据上述实施例，在飞机进场航迹角相同的组合序列中，通过临界迎角12.1°对接地速度进行插值，插值获得接地速度为53.8m/s，此时，飞机进场航迹角不变，仍为-7°。
同样道理，如果在步骤S5中，第一差值大于第二差值，则接地俯仰姿态角为敏感参数，计算获得临界俯仰姿态角为13*0.95=12.35°，然后在接地速度相同的组合序列中，通过临界俯仰姿态角12.35°对飞机进场航迹角进行插值，此时，接地速度不变，仍为50.4777m/s。
本申请能够快速确定最优的接地速度与飞机进场航迹角组合，缩短着陆距离。
本申请第二方面提供了一种与上述方法对应的运输机机场短距着陆优化装置，主要包括：
取值范围确定模块，用于给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；
输入序列生成模块，用于在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列；
迎角与姿态角计算模块，用于对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；
差值计算模块，用于确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值；
敏感参数确定模块，用于当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数；
插值计算模块，用于基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角。
在一些可选实施方式中，所述迎角与姿态角计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId=Vymax/VId；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny=((θap)2-(θId)2) (VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId=19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种运输机机场短距着陆优化方法，其特征在于，包括：
步骤S1、给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；
步骤S2、在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列；
步骤S3、对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；
步骤S4、确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值；
步骤S5、当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数；
步骤S6、基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角；
其中，步骤S3进一步包括：
步骤S31、根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId＝Vymax/VId；最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s；
步骤S32、根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：ny＝((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
步骤S33、根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId＝19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
步骤S34、根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
步骤S35、根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
2.如权利要求1所述的运输机机场短距着陆优化方法，其特征在于，步骤S1中，所述接地速度取值范围为Vcg-1.15Vs，Vcg为地面最小操纵速度，Vs为飞机失速速度；所述飞机进场航迹角取值范围为-5°到-8°。
3.如权利要求1所述的运输机机场短距着陆优化方法，其特征在于，在步骤S2中，在所述接地速度取值范围内等间距离散出至少三个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内等间距离散出至少三个航迹角离散点。
4.如权利要求1所述的运输机机场短距着陆优化方法，其特征在于，步骤S5中，设定倍数为0.95。
5.一种运输机机场短距着陆优化装置，其特征在于，包括：
取值范围确定模块，用于给定飞机着陆的接地速度取值范围及飞机进场航迹角取值范围；
输入序列生成模块，用于在所述接地速度取值范围内离散出多个速度离散点，在所述飞机进场航迹角取值范围内离散出多个航迹角离散点，由所述速度离散点与所述航迹角离散点组合成多个输入序列；
迎角与姿态角计算模块，用于对每一个输入序列，计算着陆接地点的接地迎角及着陆接地点的接地俯仰姿态角；
差值计算模块，用于确定最接近告警迎角且超过告警迎角的接地迎角与所述告警迎角的第一差值，同时确定最接近擦地角且超过擦地角的接地俯仰姿态角与所述擦地角的第二差值；
敏感参数确定模块，用于当所述第一差值小于所述第二差值时，接地迎角为敏感参数，计算临界迎角，所述临界迎角为告警迎角的设定倍数，反之，接地俯仰姿态角为敏感参数，计算临界俯仰姿态角，所述临界俯仰姿态角为擦地角的设定倍数；
插值计算模块，用于基于所述临界迎角对所述接地速度插值，或者基于所述临界俯仰姿态角对所述飞机进场航迹角进行插值，获得优化后的接地速度与飞机进场航迹角；
其中，所述迎角与姿态角计算模块包括：
接地航迹角计算单元，用于根据最大着陆接地下沉速度Vymax及接地速度VId计算接地航迹角θId：θId＝Vymax/VId；最大着陆接地下沉速度被设置为1.5m/s；
法向过载计算单元，用于根据接地航迹角θId、接地速度VId以及飞机进场航迹角θap计算着陆接地点的法向过载ny：
ny＝((θap)2-(θId)2)(VId)2/294+1；
升力系数计算单元，用于根据法向过载ny、接地速度VId计算着陆接地点的升力系数CLId：CLId＝19.6nyW/(Sρ(VId)2)；其中，W为飞机着陆重量，S为机翼面积，ρ为大气密度；
迎角计算单元，用于根据着陆接地点的升力系数CLId，确定着陆接地点的接地迎角αId；
俯仰角计算单元，用于根据着陆接地点的接地迎角αId及接地航迹角θId确定着陆接地点的接地俯仰姿态角γId。
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2023
- 2023-12-22 CN CN202311781998.9A patent/CN117452974B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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