通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法
阅读说明：本技术 通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法 (Method for identifying aerodynamic focus of airplane through flight test ) 是由 李亚东 陶晶 管德会 王木国 项松 赵为平 张彦 周国庆 梅莉 李英 陈占伟 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法,包括如下步骤：测量飞机的重量；联调测试系统；通过前重心飞行试验和后重心飞行试验,分别获得辨识飞机气动焦点所需的前重心数据和后重心数据；采用公式辨识飞机的气动焦点。该辨识飞机气动焦点的方法,简单可靠,能够准确辨识气动焦点的相对位置,进而指导飞机的重心前后限位置,对飞机的结构配置起到关键作用。(The invention discloses a method for identifying an aerodynamic focus of an airplane through a flight test, which comprises the following steps: measuring the weight of the aircraft; a joint debugging test system; respectively obtaining front gravity center data and rear gravity center data required by identifying the aerodynamic focus of the airplane through a front gravity center flight test and a rear gravity center flight test; and identifying the aerodynamic focus of the airplane by adopting a formula. The method for identifying the aerodynamic focus of the airplane is simple and reliable, can accurately identify the relative position of the aerodynamic focus, further guides the front and rear limit positions of the gravity center of the airplane, and plays a key role in the structural configuration of the airplane.)
技术领域
本发明涉及航空领域，特别提供了一种通过空中平飞和拉升飞行试验辨识飞机气动焦点的方法。
背景技术
对于静稳定性的飞机，气动焦点与重心之间的相对位置直接影响飞机的飞行性能。具体说来，二者相对位置越近，稳定度余量越小，导致本体稳定性能变坏，会严重影响飞行安全；反之，如果二者相对位置越远，稳定度余量越大，使飞机的跟随性变差，气动力载荷加大，同时也使配平阻力加大，影响飞机的巡航经济性。
目前飞机的气动焦点是通过风洞试验数据辨识所获得，风洞试验的模型是刚体，在试验过程中，变形量极小，获得的焦点是刚体飞机的焦点，而飞行中的飞机是弹性体，飞机在飞行过程中会产生变形，焦点的位置会产生偏移。焦点的真实性对飞机的重心位置分配具有至关重要的作用，如果飞机按照刚体焦点去确定重心的前后限位置，会增加危险系数，因此，为了准确确定重心的前后限位置，如何获取真实气动焦点，成为亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法，以获取真实气动焦点的相对位置。
本发明提供的技术方案是：通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法，包括如下步骤：
S1：测量飞机的重量m；
S2：联调测试系统；
S3：通过前重心飞行试验和后重心飞行试验，分别获得辨识飞机气动焦点所需的前重心数据和后重心数据，所述前重心数据包括初选的飞机的重心前限位置飞机平飞时对应的飞机升降舵偏角度δ1、拉升时对应的飞机升降舵偏角度δ2和纵向过载ny1，所述后重心数据包括初选的飞机的重心后限位置飞机平飞时对应的飞机升降舵偏角度δ3、拉升时对应的飞机升降舵偏角度δ4及纵向过载ny2，其中，获得所述飞机升降舵偏角度δ1和飞机升降舵偏角度δ3时对应的飞机平飞速度相同；
S4：利用公式(1)辨识飞机的气动焦点
式(1)中，为飞机的气动焦点相对位置，为飞机的俯仰阻尼导数，μ＝2m/ρSbA，表示飞机的相对密度，m表示飞机的重量，ρ表示大气密度，S表示机翼参考面积，bA表示飞机的平均气动弦长，Δδz1、Δδz2表示升降舵偏差值，Δδz1＝δ1-δ2，Δδz2＝δ3-δ4，Δny1、Δny2表示纵向过载增量，Δny1＝ny1-1，Δny2＝ny2-1，和分别表示初选的飞机的重心前限位置和后限位置。
优选，S3中，通过前重心飞行试验，获得辨识飞机气动焦点所需的前重心数据具体包括如下步骤：
初选飞机的重心前限位置设定飞机平飞速度V，测量飞机升降舵偏角度δ1；
保持初选的飞机重心前限位置以及设定的飞机平飞速度V不变，迅速拉升飞机升降舵，测量飞机升降舵偏角度δ2及纵向过载ny1。
进一步优选，S3中，通过后重心飞行试验，获得辨识飞机气动焦点所需的后重心数据具体包括如下步骤：
初选飞机的重心后限位置设定飞机平飞速度V，测量飞机升降舵偏角度δ3，其中，设定的飞机平飞速度V与前重心飞行试验中设定的平飞速度V相同；
保持初选的飞机重心后限位置以及设定的飞机平飞速度V不变，迅速拉升飞机升降舵，测量飞机升降舵偏角度δ4及纵向过载ny2。
本发明提供的通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法，简单可靠，能够准确辨识气动焦点的相对位置，进而指导飞机的重心前后限位置，对飞机的结构配置起到关键作用。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法的流程图；
图2为RX4E四座电动飞机在前重心飞行试验中平飞与拉升飞行时平飞速度、升降舵偏角和纵向过载的测量曲线；
图3为RX4E四座电动飞机在后重心飞行试验中平飞与拉升飞行时平飞速度、升降舵偏角和纵向过载的测量曲线。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
如图1所示，本发明提供了一种通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法，包括如下步骤：
S1：测量飞机的重量m：
飞机在进行飞行试验前，为了确定空中飞行试验时的技术状态，在地面上对飞机的重量进行实际测量，测量所用的仪器和设备，应在检定合格的有效期内，并有合格标识，称重的精度不低于：±0.1％，被称重量的范围应在称的最大量程的2/3左右；
S2：联调测试系统；
所述测试系统包括飞参记录仪、机载数据采集系统、地面数据处理系统和地面监视系统，具体包括：位于机上的：RXAP100数据记录仪、GPS天线、电压电流变送器、绝对值型旋转编码器、转速传感器、空速、数传天线、温度和杆力传感器等。位于地面的：GCS地面站、双频双星天线、数传天线。RXAP100数据记录仪集成了高精度IMU组合模块、高精度动静压传感器、高精度磁传感器、以及高精度的差分GPS定位模块。速度测量精度误差不大于0.05kts，纵向过载测量精度误差不大于0.2％，舵偏角测量误差不大于0.2％；
S3：通过前重心飞行试验和后重心飞行试验，分别获得辨识飞机气动焦点所需的前重心数据和后重心数据，所述前重心数据包括初选的飞机的重心前限位置飞机平飞时对应的飞机升降舵偏角度δ1、拉升时对应的飞机升降舵偏角度δ2和纵向过载ny1，所述后重心数据包括初选的飞机的重心后限位置飞机平飞时对应的飞机升降舵偏角度δ3、拉升时对应的飞机升降舵偏角度δ4及纵向过载ny2，其中，获得所述飞机升降舵偏角度δ1和飞机升降舵偏角度δ3时对应的飞机平飞速度相同；
其中，通过前重心飞行试验，获得辨识飞机气动焦点所需的前重心数据具体包括如下步骤：
初选飞机的重心前限位置设定飞机平飞速度V，测量飞机升降舵偏角度δ1；
保持初选的飞机重心前限位置以及设定的飞机平飞速度V不变，迅速拉升飞机升降舵，测量飞机升降舵偏角度δ2及纵向过载ny1；
其中，通过后重心飞行试验，获得辨识飞机气动焦点所需的后重心数据具体包括如下步骤：
初选飞机的重心后限位置设定飞机平飞速度V，测量飞机升降舵偏角度δ3，其中，设定的飞机平飞速度V与前重心飞行试验中设定的平飞速度V相同；
保持初选的飞机重心后限位置以及设定的飞机平飞速度V不变，迅速拉升飞机升降舵，测量飞机升降舵偏角度δ4及纵向过载ny2；
S4：利用公式(1)辨识飞机的气动焦点
式(1)中，为飞机的气动焦点相对位置，为飞机的俯仰阻尼导数，μ＝2m/ρSbA，表示飞机的相对密度，m表示飞机的重量，ρ表示大气密度，S表示机翼参考面积，bA表示飞机的平均气动弦长，Δδz1、Δδz2表示升降舵偏差值，Δδz1＝δ2-δ1，Δδz2＝δ4-δ3，Δny1、Δny2表示纵向过载增量，Δny1＝ny1-1，Δny2＝ny2-1，和分别表示初选的飞机的重心前限位置和后限位置。
下面给出公式(1)的推导过程：
联立公式(2)至公式(7)，得到公式(8)
μ＝2m/ρSbA (5)
Δcy＝Δnygcypf＝(ny-1)gcypf (6)
联立公式(2)～公式(7)，求解以上方程，得到：
公式(2)至公式(8)中，为静稳定裕度，Δcy表示升力系数增量，表示升降舵效率，Δδz表示升降舵偏差值，表示飞机的俯仰阻尼导数，表示无量纲俯仰角速度，bA表示飞机的平均气动弦长，V表示设定的飞机平飞速度，g表示重力加速度，ny表示拉升纵向过载，表示飞机的重心位置，表示飞机的气动焦点相对位置，m表示飞机的重量、S表示机翼参考面积、ρ表示大气密度，Δny表示纵向过载增量，cypf表示飞机平飞时的升力系数。
将前重心飞行试验中初选的飞机的重心前限位置飞机升降舵偏角度δ1、飞机升降舵偏角度δ2以及纵向过载增量Δny1带入公式(8)，得
式中，Δδz1＝δ2-δ1，Δny1＝ny1-1；
将后重心飞行试验中初选的飞机的重心后限位置飞机升降舵偏角度δ3、飞机升降舵偏角度δ4以及纵向过载增量Δny2带入公式(8)，得
式中，Δδz2＝δ4-δ3，Δny2＝ny2-1；
联立公式(9)和(10)，即可得到公式(1)。
本发明提供的通过飞行试验辨识飞机气动焦点的方法，通过初选飞机重心的前限位置和重心的后限位置，并计算在两位置处飞机平飞和拉升的升降舵偏差值和纵向过载，利用公式即可辨识飞机气动焦点，该方法所需参数个数较少，易于实现，相较采用CFD计算或风洞试验辨识飞机气动焦点，能够获取真实的飞机气动焦点相对位置。
下面给出RX4E四座电动飞机采用本发明提供的方法与采用风洞试验辨识飞机气动焦点的对比例：
图2为RX4E四座电动飞机在前重心飞行试验中平飞与拉升飞行时平飞速度(单位为m/s)、升降舵偏角(单位为度)和纵向过载(即：Z轴加速度，单位为m/s2)的测量曲线；图3为RX4E四座电动飞机在后重心飞行试验中平飞与拉升飞行时平飞速度(单位为m/s)、升降舵偏角(单位为度)和纵向过载(即：Z轴加速度，单位为m/s2)的测量曲线。
表1为采用本发明提供的方法及采用风洞试验辨识飞机气动焦点的结果对比
表1飞行试验焦点与风洞试验焦点对比
风洞试验模型为刚体且为缩比模型，在进行风洞试验过程中，全机变形量较小。而在实际飞行中，RX4E四座电动飞机为弹性体，其机翼、机身以及尾翼皆为碳纤维复合材料，在飞行中弹性变形量较大，所以其焦点要比风洞试验的焦点靠前，飞机实际飞行时的焦点才是飞机真实的气动焦点。
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