民用运输机首飞起落航线仿真软件设计与应用

第２８卷　第６期　飞机设计　ＶｏＬ　２８　ＮＯ．６　２００８拄　１２月　ＡｍＣＲＡＦＴ　ＤＥＳＩＧＮ　Ｄｅｃ　２ｏ０８　文章编号：１６７３－４５９９（２００８）０６－００１８—０４　民用运输机首飞起落航线仿真软件设计与应用　李晓勇，张康，鲁素芬，邢　（上海飞机设计研究所总体气动研究所，上海　摘要：首先简述了民用运输机首飞起落航线的定义和特点，然后提出了一种起落航线的仿真模型，并基于　软件复用技术开发了仿真平台，工程应用表明本仿真平台具有较高的工程实用价值。文末指出了未来的研究　方向。　关键词：民用运输机；起落航线；仿真　中图分类号：Ｖ２１２．１３；ＴＰ３１１　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　Ｔｒａｆｉｆｃ　Ｐａｔｔｅｒｎ　ｆｏｒ　Ｃｉｖｉｌ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　霞　姗　ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｋａｎｇ，ＬＵ　Ｓｕ－ｆｅｎ，ＸＩＮＧ　Ｘｉａ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　１，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２３２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｐａｔｔｅｒｎ　ａｒｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｔｈｅｎ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｒａｆｉｆｃ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｉｓ　ｒｅｆｅｒｒｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒｅｕｓｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｔｏｌ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｏｆｒ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｂｙ　ｏｎｅ　ａｐｐｌｉ—　ｃａｔｉｏｎ　ｏｎ　ａｎ　ａｉｒｐｌａｎｅ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｊｏｂｓ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｉｖｉｌ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ；ｔｒａｆｉｆｃ　ｐａｔｔｅｒｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　首飞是民用飞机型号研制的重要里程碑之一，　落航线的技术要求，提出一种首飞起落航线仿真　是展现工程师们无数心血的关键时刻，它主要考　模型，利用软件复用技术快速搭建了仿真环境，　核新机的飞行品质和系统功能，为后续的调整试　并应用于某型民用运输机的首飞起落航线的分析　飞以及取证试飞奠定坚实的基础。故必须进行充　与设计，结果表明其能够全面反映首飞工况，功　分详细的数据准备，而首飞起落航线相关数据的　能完善，计算精度高，完全满足工程设计要求。　确定是其中至关重要的一个环节。在新机首飞过　程中可能会遇到各种飞行情况，需要考虑多种应　１首飞起落航线　急程序以及与之对应的复杂计算条件，因此，一　１．１定义　种通用的仿真平台对工程实践而言将会具有重要　通用起落航线大致可以分为如下几个部分：　的意义。　起飞、一边、一二转弯、三边、三转弯、四边、　目前，随着ＩＴ技术的快速发展，能够精准地　四转弯、五边和着陆，如图１所示。　描述和求解飞行力学问题，使得仿真模拟的可靠　典型起落航线包括表１所示的飞行阶段。　性和工程实用性有了质的提高。本文基于首飞起　首飞起落航线，一般情况下需要通场１—３　收稿日期：２００８—０７—１６；修订日期：２００８—１１－０２　第６期　李晓勇　等：民用运输机首飞起落航线仿真软件设计与应用　１９　以该速度水平飞行时油耗最小，而在爬升时爬升　・三转弯　进场襟翼　耋　二：篓　蓼　三边垩茎　进人三边　一　梯度接近于最大值，同时，其满足４０。坡度对应　的失速告警要求和减速２０　ｋｎ后３０。坡度对应的失　・按需开始　下降丝　四边　着陆襟翼　图ｌ起落航线定义　次，通场剖面依据首飞任务（科目）的情况而定。　表１典型起落航线飞行阶段　霉　阶　段　襟／缝翼档位飞机构型　起落架　１　起飞　（１）正常起飞　起飞　（２）等表速直线爬升　起飞　２　一边　（３）等爬升率加速直线爬升　起飞　３一二转弯（４）等表速爬升转弯　起飞　放下　，　（１１）等表速水平直线飞行　着陆　８五ｌ边——　（１２）等表速等下滑角直线下降着陆　９着陆　（１３）正常着陆　着陆　１．２特点　首飞起落航线制定主要考虑飞行安全问题，　在安全性得到充分保证的情况下考虑首飞的观赏　特性。以此为原则，需要考虑如下几个方面参数　的选择：　（１）飞机构型　考虑到新机型的安全性，首飞过程中不收起　落架和襟翼。　（２）飞行高度　正常情况下，现役机型的起落航线高度一般　为４５０　ｍ。但是在首飞过程中，考虑到在应急情　况下需要给试飞员尽可能多的留空时间，一般爬　升至较高（１　０００—２　０００　ｍ）的飞行高度执行通场　操作。　（３）飞行速度　正常的起落航线速度依据襟翼操纵速度制定，　速告警要求。此外，首飞起落航线还必须考虑风　的影响，一般情况下，进场速度为　＋阵风＋　１／２风速＋１Ｏ　ｋｎ。　２仿真模型　２．１计算模型　飞行性能问题的求解主要包括质点动力学方　程和运动学方程组…。当飞机作无侧滑飞行时，　侧力等于０，侧滑角为０，则动力学方程和运动方　程为：　航迹坐标系动力学方程组　ｍ　＝Ｔｃｏｓ（　＋　ｒ）一Ｄ—Ｇｓｉｎ０（１）　ｄＯｍｖ　＝［Ｔｓｉｎ（　＋　ｒ）＋　］ｃ。　一Ｇｃ。ｓ　（２）　一ｍｖｃｏ￥　警＝［　（　＋　＋Ｌ］ｓｉｎ／ｘ（３）　地面坐标系运动学方程组　一　ｄｘ一ｄ　ｔ　＝口ｃｏｓ０ｃｏｓ６（４）４　Ｊ　ｄｙＪ．＝ｖｓｉｎ０　（５）　警＝一ｖ面　一　ｃｏｓ０ｓｉｎｃｂ　（【６）ｏ　　其中：ｍ为飞机质量；ｔＪ为空速；ｔ为时间；Ｔ为推　力；Ｄ为阻力；Ｌ为升力；Ｇ为重力；　为迎角；　为　航迹角；　为航迹倾斜角（飞机坡度），　为航迹偏　转角；　为发动机安装角。　坐标系说明如下：　（１）航迹坐标系　原点固定于飞机的重心，其　轴沿航迹速度　的方向，　轴在包含　轴的铅垂平面内垂直于孔　轴指向上方，　轴垂直于ｙ＾　平面指向右方。　（２）地面坐标系　原点位于跑道中心线端头，纵轴　沿跑道中　心线指向前方，竖轴】，在跑道铅垂面内垂直于纵　轴指向上方，横轴ｚ垂直于跑道铅垂面指向右　方。　目前，通用的求解方法是数值积分，并在不　同阶段采用相应的计算条件与积分变量以简化计　算（见表２）。　２０　飞机设计　第２８卷　表２起落航线计算模型　序号　名　称　计算条件　积分变量　ｌ等表速水平直线飞行　百ｄｖ＝ｏ，警＝ｏ　＝ｏ　ｌ　２加减速水平直线飞行　ｄ鱼＝０　８：Ｏ　ｔ３等表速爬升／下降　警＝ｏ　ｙ　４等爬升率加速直线爬升旦立ｄ＝Ｏ　ｙ　ｔ５等表速转弯爬升　一　～　６等表速水平转弯　７　线下降　角等　值减速直　ｄｔ－ｏ，警：。　。ｙ　　８等表速等下滑角直线下降　ｄＯ＝０，警：ｏ　ｙ　注：Ｎ　表示发动机低压转子物理转速。　２．２计算逻辑　正常的起落航线（不包括通场航线）计算逻辑　如图２所示。　３仿真平台　起落航线仿真程序的开发分为计算内核和图　形用户界面（ＧＵＩ）的开发两个部分。计算内核采　用瀑布模型，ＧＵＩ选择面向对象螺旋型开发模型。　利用软件复用技术和基于文件的软件框架完成仿　真平台的快速开发。　３．１软件复用技术　软件复用技术是解决科学计算软件开发的一　项热点技术，它能够在３个不同复用层次上帮助　解决软件工程问题：基于代码构件的复用、基于　设计模式的复用和基于分析模式的复用　Ｊ。软件　复用策略有３个主要的方面：　（１）采用软件复用思想构建新的软件框架，　以便于今后的升级和维护。　（２）封装已有的遗留软件系统，开发中间　层，利用软件集成的方式集成于新软件。　（３）新开发的构件化软件模块，采用软件合　成的方式集成于新软件（见图３）。　本仿真平台基于ＧＡＰＰ　２．０软件　Ｊ，该软件　提供了起落航线程序所需的子功能模块，通过开　发出ＴＡＳＫＳＰＲＯＣＥＳＳ模块封装爬升、水平飞行、　盘旋和下降等构件化模块，使得这些子模块能够　得到充分的利用，提高开发效率。　３．２软件框架　图２汁算逻辑　软件合成　软件集成　新开发模块　遗留软件系统　一构件　一非构件化　图３软件复用策略　合理的软件框架是软件复用的基础，科学计　算软件的框架主要有６种方式…。性能计算的实　时监控和交互特性比较弱，采用文件作为接口集　成各个计算模块是可以接受的，软件框架见图４。　第６期　李晓勇　等：民用运输机首飞起落航线仿真软件设计与应用　２１　图４软件框架　在该软件框架下，可以灵活地添加新功能模　块，以满足未来的需求。　４算例　针对某型民机的首飞起落航线，利用本文所　述的仿真平台，计算了给定质量情况下的起落航　线性能数据，如图５一图７所示。通常情况下，　首飞起落航线要求逆风起降（即同向起降），但　是，考虑到机场的导航设施限制条件、机场空域　限飞　‘＼　暑　ｆ、　　）　厘　椒　、　、　．／　暴　、　、　　ｌ　ｌ７一　ｌ－－　，－Ｚ视图ｌ　轴方向，ｍ　图５　Ｘ－Ｚ视图　／　｝　／　ｌ　｛　，　／　逗　，　椒　｝　ｌ　暴　｝　ｌ　｜　／　，　／　｝　／　｜　／　／　ｌ－Ｘ－Ｙ视图ｌ　轴方向／ｍ　图６　Ｘ－Ｙ视图　／　一一　量　足　厂　／　撂　、　一】ｆ　视图　】，轴方向／ｍ　图７　ｙ－Ｚ视图　左起落航线的要求以及可能的风向转变等因素，　计算了向北起飞向南着陆飞行的备选方案。该方　案包括一边、一二转弯、通场航线、三边、三转　弯、四边、四转弯、五边（反向三边）、反向三转　弯、反向四边、反向四转弯、反向五边和着陆等　１４个阶段。　５结论　本文基于民用飞机首飞起落航线特性，采用　软件复用技术，快速地搭建了飞行仿真平台，并　给出应用算例，工程应用表明该仿真平台具有较　高的精度和较强工程实用价值。今后研究开发的　方向主要集中于首飞问题的详细建模和软件框架　的优化。　参考文献　［１］飞机飞行性能计算手册编写组．飞机飞行性能计算手册　［Ｍ］．西安：飞行力学杂志社，１９８７．　［２］李晓勇，薛飞，鲁素芬，等．软件复用技术在科学计算软件　中的应用研究［Ｊ］．航空计算技术．２００７，３７（１）：９１—９５．　［３］薛飞，李晓勇，李栋成，等．基于软件复用技术的民机性能　软件的设计与实现［Ｊ］．民用飞机设计与研究，２００７。８６　（３）：８一ｌ１．　［４］秦明钰．科学计算软件开发框架的设计与实现［Ｊ］．北京电　子科技学院学报，２００４，１２（４）：６９—７４．　作者简介　李晓勇（１９７９～）男，陕西华阴人，硕士，工程师，主要研究方　向：计算空气动力学，飞行力学。　张康（１９８３～）男，江苏南京人，助理工程师，主要研究方向：　飞行力学。　鲁素芬（１９７９～）女，湖北鄂州人，硕士，工程师，主要从事飞行　性能工作。　邢霞（１９６８～）女，黑龙江集贤人，高级工程师，学士，主要研　究方向：飞行力学，试验空气动力学。