CN106777573B - 一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法 - Google Patents

一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,通过对飞机空中投放空副油箱的运动机理研究,综合分析飞机的飞行高度、速度、姿态角及大气风速等因素对空副油箱投放运动轨迹的影响,并计算副油箱的气动特性、飞机投放空副油箱的外挂物分离特性、投放时空副油箱的初始飞行参数,结合空副油箱的质量特性,建立投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,仿真模型中的参数可通过计算机数值计算或试验测量获得,最后通过实时仿真计算投放时空副油箱的飞行高度、轨迹、姿态、速度以及时间等飞行参数,以获得空副油箱落地范围结果,进而确定飞行空域范围,高效快速,且计算的落地范围精确,为确定飞行空域提供支撑。

Description

一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法
技术领域
本发明涉及航空投放范围计算仿真技术领域,尤其涉及一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法。
背景技术
目前针对飞机空中投放外挂物的研究,主要在两方面:一是副油箱、常规炸弹和制导武器等外挂物投放时,飞机与外挂物分离时是否会发生碰撞等投放安全问题;二是常规炸弹和制导武器等外挂武器在投放发射后的射程及命中精度等涉及弹道和制导技术的研究。由于飞机空中投放空副油箱虽会考虑投放过程中与飞机分离的投放安全问题,但由于其不属于武器,故对空副油箱投放离开飞机直至落地的投放轨迹并没有进行相关研究。同时由于空副油箱尺寸体积相对较大,在燃油用尽后重量轻,飞机空中投放空副油箱后,在飞机气流干扰、初始投放高度速度、大气风速影响下,空副油箱可能出现的落地点范围较大。在过去,为避开人口密集区以保障人民及财产安全,投放空副油箱时一般多选择荒芜人烟的较大空域场地进行,但是在城乡高速发展和民用航线增长的今天,选择较大空域的难度随之增加,对于可允许投放空域提出了更高限制要求,因此需要预测飞机空中投放空副油箱的落地范围,为选择空域大小提供参考。从已公开的文献来看,目前缺乏对飞机空中投放空副油箱的落地范围的仿真方法,投放飞行空域规划的精细化程度还有待提高。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,具体步骤如下:
1)计算副油箱的气动特性
根据副油箱的几何外形,采用CFD数值计算得到副油箱的气动特性,副油箱的气动特性包括随迎角及马赫数变化的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、侧向力系数、滚转力矩系数及偏航力矩系数,参考面积取副油箱最大横截面积,参考长度取副油箱总长度;副油箱相关气动特性也可通过风洞试验获得;
2)计算飞机投放空副油箱的外挂物分离特性
根据飞机的气动特性、副油箱气动特性、空副油箱质量特性,采用CFD数值方法,计算在飞机流场影响下,飞机空副油箱投放过程中,飞机的外挂物分离特性,得到保证空副油箱投放分离安全性的飞机飞行马赫数及迎角,同时得到空副油箱相对飞机的投放分离初始速度、迎角及姿态角参数;其中,飞机投放空副油箱的外挂物分离特性也可通过风洞试验获得;
3)计算投放时空副油箱的初始飞行参数
根据飞机投放空副油箱的外挂物分离特性,在飞机允许投放空副油箱的马赫数及迎角限制范围内,给定飞机的飞行高度、速度及姿态角,结合空副油箱投放相对飞机的初始状态,计算得到投放时空副油箱的初始速度、高度及姿态角的初始飞行参数;
4)建立飞机空中投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型
根据空副油箱投放相对于飞机体轴的初速,结合飞机飞行的高度、速度及姿态角,并考虑叠加大气风速的影响,求空副油箱投放时相对地轴的速度:
VxE_0=V0×cosθ+V1+Vwx
VyE_0=V0×sinθ+Vwy
其中,VxE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始前向速度;
VyE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始法向速度;
V1为飞机平飞的真空速;
Vwx为大气风速相对地轴的水平分量;
Vwy为大气风速相对地轴的垂直分量;
空副油箱投放时,空副油箱的真空速Vq为空副油箱相对于飞机体轴的初速V0与飞机平飞真空速V1的矢量和,即空副油箱投放时相对地轴的前向速度VxE_0与相对地轴的法向速度VyE_0的矢量和,
Figure BDA0001167130090000031
空副油箱投放后,由于受到气动力及自身重量影响,水平速度减小,下降速度逐渐增加,高度下降,直至空副油箱落地为止;
空副油箱在整个飞行过程中的气动力计算为:
D=cx×q×S;L=cy×q×S;
其中空副油箱的气动力系数cx、cy按照当前状态的马赫数M数值,插值计算得到;速压
Figure BDA0001167130090000041
ρ为所在气压高度的大气密度;
空副油箱在整个飞行过程中的轨迹角φ计算为:
Figure BDA0001167130090000042
其中,VxE为空副油箱在地轴系上的水平速度,水平向前为正;
VyE为空副油箱在地轴系上的垂直速度,垂直向上为正;
空副油箱在整个飞行过程中受到的合力,分解至地轴系上的分量为:
FxE=-L×sinφ-D×cosφ;
FyE=L×cosφ-D×sinφ-G;
其中,FxE为空副油箱受力在地轴系的水平分量,水平向前为正;
FyE为空副油箱受力在地轴系的垂直分量,垂直向上为正;
则空副油箱在整个飞行过程中,在地轴系上的飞行加速度为:
axE=FxE/m;
ayE=FyE/m;
其中,m为空副油箱的质量;
axE为空副油箱在地轴系上的水平加速度,水平向前为正;
ayE为空副油箱在地轴系上的垂直加速度,垂直向上为正;
根据地轴系上的加速度,积分求出在地轴系上的飞行速度为:
VxE=∫axE dt;
VyE=∫ayE dt;
然后根据地轴系的速度,积分求出在地轴系上的飞行距离为:
Lx=∫VxE dt;
Ly=∫VyE dt;
通过数值积分迭代,当空副油箱的垂直距离Ly的变化量等于空副油箱投放时的初始高度时,则空副油箱落地,此时空副油箱飞行的水平距离即为Lx
空副油箱的侧向距离的计算方法与空副油箱飞行的水平距离的计算方法一致,仅需将初始水平速度替换为相应的初始侧向速度并叠加大气侧风影响即可,从而建立飞机空中投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,而后在飞行轨迹仿真模型中输入仿真参数,即得到飞机空中投放空副油箱落地范围。
有益效果:本发明通过计算副油箱的气动特性、飞机投放空副油箱的外挂物分离特性、投放时空副油箱的初始飞行参数,结合空副油箱的质量特性,建立投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,在飞行轨迹仿真模型中输入仿真参数,即得到飞机空中投放空副油箱落地范围,高效快速,且计算的落地范围精确,为确定飞行空域提供支撑。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,通过对飞机空中投放空副油箱的运动机理研究,综合分析飞机的飞行高度、速度、姿态角及大气风速等因素对空副油箱投放运动轨迹的影响,并计算副油箱的气动特性、飞机投放空副油箱的外挂物分离特性、投放时空副油箱的初始飞行参数,结合空副油箱的质量特性,建立投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,仿真模型中的参数可通过计算机数值计算或试验测量获得,最后通过实时仿真计算投放时空副油箱的飞行高度、轨迹、姿态、速度以及时间等飞行参数,以获得空副油箱落地范围结果,进而确定飞行空域范围;具体步骤如下:
1)计算副油箱的气动特性
根据副油箱的几何外形,采用CFD数值计算得到副油箱的气动特性,主要包括随迎角及马赫数变化的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、侧向力系数、滚转力矩系数及偏航力矩系数,参考面积取副油箱最大横截面积,参考长度取副油箱总长度;副油箱相关气动特性也可通过风洞试验获得;
2)计算飞机投放空副油箱的外挂物分离特性
根据飞机的气动特性、副油箱气动特性、空副油箱质量特性,采用CFD数值方法,计算在飞机流场影响下,飞机空副油箱投放过程中,飞机的外挂物分离特性,通过计算,得到保证空副油箱投放分离安全性的飞机飞行马赫数及迎角,同时得到空副油箱相对飞机的投放分离初始速度、迎角及姿态角参数;其中,飞机投放空副油箱的外挂物分离特性也可通过风洞试验获得;
3)计算投放时空副油箱的初始飞行参数
根据飞机投放空副油箱的外挂物分离特性,在飞机允许投放空副油箱的马赫数及迎角限制范围内,给定飞机的飞行高度、速度及姿态角,结合空副油箱投放相对飞机的初始状态,计算得到投放时空副油箱的初始速度、高度及姿态角的初始飞行参数;
4)建立投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型
根据空副油箱投放相对于飞机体轴的初速,结合飞机飞行的高度、速度及姿态角,并考虑叠加大气风速的影响,求出空副油箱投放时相对地轴的速度:
VxE_0=V0×cosθ+V1+Vwx
VyE_0=V0×sinθ+Vwy
其中,VxE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始前向速度;
VyE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始法向速度;
V1为飞机平飞的真空速;
Vwx为大气风速相对地轴的水平分量;
Vwy为大气风速相对地轴的垂直分量;
空副油箱投放时,空副油箱的真空速Vq为空副油箱相对于飞机体轴的初速V0与飞机平飞真空速V1的矢量和,即空副油箱投放时相对地轴的前向速度VxE_0与相对地轴的法向速度VyE_0的矢量和:
Figure BDA0001167130090000071
空副油箱投放后,由于受到气动力及自身重量影响,水平速度减小,下降速度逐渐增加,高度下降,直至空副油箱落地为止;
空副油箱在整个飞行过程中的气动力计算为:
D=cx×q×S;L=cy×q×S;
其中空副油箱的气动力系数cx、cy按照当前状态的马赫数M数值,插值计算得到;速压
Figure BDA0001167130090000081
ρ为所在气压高度的大气密度;
空副油箱在整个飞行过程中的轨迹角φ计算为:
Figure BDA0001167130090000082
其中,VxE为空副油箱在地轴系上的水平速度,水平向前为正;
VyE为空副油箱在地轴系上的垂直速度,垂直向上为正;
空副油箱在整个飞行过程中受到的合力,分解至地轴系上的分量为:
FxE=-L×sinφ-D×cosφ;
FyE=L×cosφ-D×sinφ-G;
其中,FxE为空副油箱受力在地轴系的水平分量,水平向前为正;
FyE为空副油箱受力在地轴系的垂直分量,垂直向上为正;
则空副油箱在整个飞行过程中,在地轴系上的飞行加速度为:
axE=FxE/m;
ayE=FyE/m;
其中,m为空副油箱的质量;
axE为空副油箱在地轴系上的水平加速度,水平向前为正;
ayE为空副油箱在地轴系上的垂直加速度,垂直向上为正;
根据地轴系上的加速度,积分求出在地轴系上的飞行速度为:
VxE=∫axE dt;
VyE=∫ayE dt;
然后根据地轴系的速度,积分求出在地轴系上的飞行距离为:
Lx=∫VxE dt;
Ly=∫VyE dt;
通过数值积分迭代,当空副油箱的垂直距离Ly的变化量等于空副油箱投放时的初始高度时,则空副油箱落地,此时空副油箱飞行的水平距离即为Lx
空副油箱的侧向距离的计算方法与空副油箱飞行的水平距离的计算方法一致,仅需将初始水平速度替换为相应的初始侧向速度并叠加大气侧风影响即可,从而建立投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,以飞机在飞行高度3km、表速600km/h进行平飞投放空副油箱为例,考虑大气风速30m/s的条件下,按上述仿真方法进行计算得空副油箱投放落地范围,即进行空中投放空副油箱的所需场域为6.1km×4.4km,为确定飞行空域提供支撑。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,其特征在于,具体步骤如下:
1)计算副油箱的气动特性
根据副油箱的几何外形,采用CFD数值计算得到副油箱的气动特性,副油箱的气动特性包括随迎角及马赫数变化的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数、侧向力系数、滚转力矩系数及偏航力矩系数;
2)计算飞机投放空副油箱的外挂物分离特性
根据飞机的气动特性、副油箱的气动特性、空副油箱质量特性,采用CFD数值方法,计算在飞机流场影响下,飞机空副油箱投放过程中,飞机的外挂物分离特性,得到保证空副油箱投放分离安全性的飞机飞行马赫数及迎角,同时得到空副油箱相对飞机的投放分离初始速度、迎角及姿态角参数;
3)计算投放时空副油箱的初始飞行参数
根据飞机投放空副油箱的外挂物分离特性,在飞机允许投放空副油箱的马赫数及迎角限制范围内,给定飞机的飞行高度、速度及姿态角,结合空副油箱投放相对飞机的初始状态,计算得到投放时空副油箱的初始速度、高度及姿态角的初始飞行参数;
4)建立飞机空中投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型
根据空副油箱投放相对于飞机体轴的初速,结合飞机飞行的高度、速度及姿态角,并考虑叠加大气风速的影响,求空副油箱投放时相对地轴的速度:
VxE_0=V0×cosθ+V1+Vwx
VyE_0=V0×sinθ+Vwy
其中,VxE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始前向速度;
VyE_0为空副油箱投放时相对地轴的初始法向速度;
V1为飞机平飞的真空速;
Vwx为大气风速相对地轴的水平分量;
Vwy为大气风速相对地轴的垂直分量;
空副油箱投放时,空副油箱的真空速Vq为空副油箱相对于飞机体轴的初速V0与飞机平飞真空速V1的矢量和,即空副油箱投放时相对地轴的前向速度VxE_0与相对地轴的法向速度VyE_0的矢量和,
Figure FDA0001167130080000021
空副油箱投放后,由于受到气动力及自身重量影响,水平速度减小,下降速度逐渐增加,高度下降,直至空副油箱落地为止;
空副油箱在整个飞行过程中的气动力计算为:
D=cx×q×S;L=cy×q×S;
其中,空副油箱的气动力系数cx、cy按照当前状态的马赫数M数值,插值计算得到;速压
Figure FDA0001167130080000022
ρ为所在气压高度的大气密度;
空副油箱在整个飞行过程中的轨迹角φ计算为:
Figure FDA0001167130080000023
其中,VxE为空副油箱在地轴系上的水平速度,水平向前为正;
VyE为空副油箱在地轴系上的垂直速度,垂直向上为正;
空副油箱在整个飞行过程中受到的合力,分解至地轴系上的分量为:
FxE=-L×sinφ-D×cosφ;
FyE=L×cosφ-D×sinφ-G;
其中,FxE为空副油箱受力在地轴系的水平分量,水平向前为正;
FyE为空副油箱受力在地轴系的垂直分量,垂直向上为正;
则空副油箱在整个飞行过程中,在地轴系上的飞行加速度为:
axE=FxE/m;
ayE=FyE/m;
其中,m为空副油箱的质量;
axE为空副油箱在地轴系上的水平加速度,水平向前为正;
ayE为空副油箱在地轴系上的垂直加速度,垂直向上为正;
根据地轴系上的加速度,积分求出在地轴系上的飞行速度为:
VxE=∫axE dt;
VyE=∫ayE dt;
然后根据地轴系的速度,积分求出在地轴系上的飞行距离为:
Lx=∫VxE dt;
Ly=∫VyE dt;
通过数值积分迭代,当空副油箱的垂直距离Ly的变化量等于空副油箱投放时的初始高度时,则空副油箱落地,此时空副油箱飞行的水平距离即为Lx
空副油箱的侧向距离的计算方法与空副油箱飞行的水平距离的计算方法一致,仅需将初始水平速度替换为相应的初始侧向速度并叠加大气侧风影响即可,从而建立飞机空中投放时空副油箱的飞行轨迹仿真模型,而后在飞行轨迹仿真模型中输入仿真参数,即得到飞机空中投放空副油箱落地范围。
2.根据权利要求1所述的一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,其特征在于,步骤1)中,副油箱的几何外形的参考面积取副油箱最大横截面积,参考长度取副油箱总长度。
3.根据权利要求1所述的一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,其特征在于,步骤1)中,副油箱相关气动特性可通过风洞试验获得。
4.根据权利要求1所述的一种飞机空中投放空副油箱落地范围的仿真方法,其特征在于,步骤2)中,飞机投放空副油箱的外挂物分离特性可通过风洞试验获得。
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