民用飛機氣動模型修正流程

吳戴鵬　王磊　黎先平

【摘 要】受限于風洞試驗和計算機數值模擬分析（CFD）與空中真實飛行環境的差異性，基于風洞數據和CFD數據而建立起來的氣動模型往往無法直接滿足CCAR-60部，因此，有必要對飛機的氣動模型進行辨識和修正。本文簡要論述了民機領域氣動模型修正的一般流程和注意事項， 利用試飛數據來辨識氣動參數，并對模型進行修正以獲取精確的氣動模型。

【關鍵詞】氣動模型；參數辨識；模型修正

中圖分類號： V211.4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0111-002

【Abstract】Constrained by the differences between wind tunnel test and computer numerical simulation （CFD） and real flight environment in the sky，aerodynamic models based on wind tunnel data and CFD data often cannot directly meet the CCAR-60 department.Therefore，It is necessary to identify and correct the aerodynamic model of the aircraft.This article briefly discusses the general flow and precautions of aerodynamic model correction in the field of civil aircraft，uses test flight data to identify aerodynamic parameters，and corrects the model to obtain an accurate aerodynamic model.

【Key words】Aerodynamic model；Parameter identification；Model correction

0 引言

飛機氣動模型的理論氣動數據是通過各種雷諾數風洞的吹風試驗、CFD數值模擬計算和工程估算等所得的基準氣動數據。但風洞試驗在幾何外形、環境條件以及流場特性等方面都與真實飛機的空中飛行存在一定差距；CFD計算結果的精度明顯依賴于計算方法的選擇；至于工程估算受限于估算過程所做的前提假設，這樣導致飛機的理論氣動數據的精度受限。因此，有必要利用飛機空中試飛數據對飛機的氣動模型進行辨識和修正。

飛機氣動模型修正包括試飛方案設計、試飛執行、數據采集與處理、氣動參數（導數）辨識、仿真調參和模型修正，其中氣動參數辨識是模型修正的方法核心。民機模型修正根據對試飛數據的不同要求一般可以分為基于物理解析的靜態配平法和基于動態激勵的參數尋優法，模型修正的一般流程如圖所示。

1 氣動模型修正方案

1.1 試飛方案設計

氣動模型修正是基于空中試飛數據對模型結構的調整和模型參數的辨識。因此，模型修正的首要任務是獲取可用于模型修正的試飛數據，需要根據模型修正的需求開展試飛方案設計。

針對民用飛機的特點，基于氣動參數辨識的試飛方案主要分為兩個階段：一是為滿足依托氣動模型的主飛行控制律需求和自動飛行控制律需求的更新工作，在飛機正常包線內的試飛方案設計；二是針對民機包線拓展，對失速、高速和地效等高風險科目氣動參數辨識的試飛方案設計，以完成民用飛機氣動參數辨識在邊界包線的工作。

根據所選用參數辨識方法的不同，試飛方案的設計又包括飛機穩定飛行的配平方案設計和飛機機動的激勵方案設計。飛機空中配平一方面是為物理解析氣動參數辨識提供配平數據，另一方面是為了給動態激勵辨識氣動參數提供機動動作前飛機的基準姿態。其中基于物理解析的靜態配平法主要數據來源就是配平數據，因此要求飛機在不同重量重心條件下實現配平，以充分實現對飛機的物理解析。而動態激勵法除了需要設計配平方案以外，還需要在配平點處設計機動動作，且機動動作必須要能夠充分激發出飛機在各個軸向的模態，否則可能會導致辨識誤差大甚至辨識失敗。

1.2 試飛執行

飛機空中試飛固然能夠獲取飛機空中飛行時的真實狀態和數據，但是飛機試飛同時也伴隨著高成本和一定風險。因此，在開展飛機的真實空中試飛之前，必須要利用其它手段對試飛方案、參數辨識方法和模型修正方案進行驗證，常用的驗證手段有：桌面仿真、工模試驗和鐵鳥試驗。在民機設計階段，這三者的核心都是基于風洞吹風或CFD模擬的氣動數據，依托于理論知識、工程經驗和假設而建立起來的模型。通過這三種方式，設計員可以對試飛方案和方法進行進一步的調整和優化，而試飛員則可以熟悉氣動參數辨識試飛科目的具體操作，了解空中試飛時的具體注意事項。

1.3 數據采集與數據處理

通過飛機上安裝的大氣數據傳感器、慣導數據傳感器等可以采集得到飛機在飛行過程中實時的飛行姿態和飛行狀況。然而，在實際工程應用中，這些采集的試飛數據往往不能直接作為氣動參數辨識的輸入。這是因為，飛機在實際飛機過程中，大氣往往不是絕對的平穩大氣，可能會存在紊流等環境干擾，并且傳感器的微弱跳動或者傳感器本身的瑕疵都會導致采集的試飛數據與我們預定的飛機飛行狀態存在偏差。因此需要對試飛數據進行預處理，常用的數據處理[2]有：野值的識別、剔除與補正；數據的平滑與微分；數據的相容性檢查等等。

1.4 氣動參數辨識方法

氣動模型修正的目的是為了獲取精確的飛機氣動模型。在實際應用中，飛機的氣動模型的模型結構根據理論知識和工程經驗常常已經可以大致確定，但模型中的氣動參數往往還是未知的。因此，模型修正的核心便是，利用參數辨識方法從試飛數據中分析出氣動模型框架中的未知參數。目前，氣動參數辨識的方法有國內普遍采用的基于動態激勵的參數尋優法和國外目前采用比較多的基于靜態配平的物理解析法。

參數尋優法是將氣動數據導入所建模型框架中，并利用數學算法對模型中的氣動參數進行解析或搜索，以獲取符合模型精度條件（準則）的氣動參數。比較成熟的常用數學算法[1]有：最小二乘法、極大似然法、卡爾曼濾波算法、貝葉斯法等等。因此，動態激勵法的辨識精度極大地依賴于尋優算法的選擇，且辨識結果是對樣本數據（試飛數據）的最優估計，因此對樣本數據的容量和多樣性要求較高。

物理解析法是利用經典的牛頓力學原理，針對飛機在空中飛行時的平衡狀態，列寫飛機平衡飛行的力學方程，通過差別化重量重心配置，對飛機的狀態進行聯立，并對氣動模型中的氣動導數依條理逐個解析。基于靜態配平的物理解析氣動參數辨識方法所獲得的氣動參數具有明確的物理意義，因此在工程應用中具有非常實用的應用價值。

1.5 仿真調參

受限于飛機的實際飛行環境和測量條件，經過物理解析或參數尋優獲得的氣動參數往往不能和飛機真實狀態完全吻合，或者說辨識出的結果可能會存在或大或小的誤差。此時，需要根據飛機的實際飛行狀況或數據（如其它未應用于參數辨識的試飛數據）對辨識結果進行微調，以獲得更真實的氣動參數。

1.6 模型修正獲得精確的氣動模型

飛機的模型修正往往分階段進行，先對飛機氣動影響主量進行辨識，再考慮更多會對飛機氣動產生影響的因素進行辨識，如馬赫數效應、氣彈效應等等。因此，在獲取飛機的氣動參數以后，需要對飛機氣動模型進行進一步精細化修正，并通過一系列驗證手段對氣動模型進行不斷的迭代更新。

2 總結

本文闡述了民用飛機氣動模型修正的必要性，介紹了氣動模型修正的一般流程，論述了試飛方案設計、試飛執行、數據采集與處理、參數辨識方法、仿真調參、模型修正過程中的注意事項等，可作為民機氣動模型修正過程的指導。

【參考文獻】

[1]蔡金獅.飛行器系統辨識[M].宇航出版社，1995.

[2]Klein V，Morelli E A.Aircraft System Identification：Theory And Practice[J].Landolt-B？觟rnstein-Group II Molecules and Radicals，2006，65（4）：391.