任意着陆状态下的飞机起落架模型仿真研究_张雯

Simulation Research on Aircraft and Landing Gear Model under Discretional Landing States
ZHANG Wen, ZHANG Zhi, ZHU Qi-dan, GONG Ming
(School of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
第 21 卷第 13 期 2009 年 7 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 21 No. 13 Jul., 2009
任意着陆状态下的飞机起落架模型仿真研究
张
摘
雯，张 智，朱齐丹，贡
鸣
（哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001）
要： 为支持舰载机的甲板降落研究而建立了一个任意着陆状态下的飞机起落架模型。 为使该模
收稿日期：2007-11-28 修回日期：2008-03-05 作者简介：张雯(1983-), 女, 黑龙江人, 博士生, 研究方向为系统仿真、 控制理论及其应用； 张智(1981-), 男, 黑龙江人, 博士, 研究方向为系统 仿真、计算机控制与应用；朱齐丹(1963-), 男, 黑龙江人, 博导, 研究方 向为计算机控制与应用、模式识别与智能系统。
擦力、横向摩擦力、和垂直反力，它们合力在 Sb 系的分力 为 Flixb 、 Fli yb 、 Flizb ，这里将 Flix 、 Fli y 统称为截向力； Fsi 为缓冲器作用力。以上 i = 1、、用于标识三个起落架（其中 23 1、2 表示主起落加，3 为前起落架） ，而且在后续变量及公 式中 i 均具有这个有意义。 另外根据起落架结构中各部分的运动特点， 在起落架缓 冲计算时把起落架 i 的结构质量按需要划分为两个集中质 量：弹性支承质量部分（记为 m1i ）即缓冲器中空气弹簧上 部的质量， 质量中心在飞机耳轴； 非弹性质量部分 （记为 m2i ） 即缓冲器中空气弹簧下部的质量，质量中心在机轮轮心。
(1)
(2)
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张雯， 等： 任意着陆状态下的飞机起落架模型仿真研究
Vol. 21 No. 13 Jul., 2009
其中
Lgb
⎡cosθ cosψ =⎢ ⎢ sinψ cosθ ⎢ ⎣ − sin θ cosψ sin θ sin φ − sinψ cos φ sinψ sin θ sin φ + cosψ cosφ cosθ sin φ
Abstract: To support the research on the carrier-based aircraft deck-landing, an aircraft and landing gear model under discretional landing states was built. In order to simulate the variational and complex attitudes of the aircraft and the dynamic shocks of three landing gears, a reverse-passed force method was adopted; the aircraft function of six-degreeof-freedom and the differential equations of three landing gears were combined. By simulation and analysis, how exactly and veritably the model can simulate the aircraft landing process under discretional states is demonstrated. Key words: simulation of discretional landing states; landing gear model; six-degree-of-freedom aircraft model; carrierbased aircraft
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学
报
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等于地面对轮胎的轴向力。 本文分开计算该受力过程使得仿 真过程可以同时体现出飞机姿态翻滚以及起落架缓冲器反 复伸缩的运动过程。
1.2 坐标系统及变量定义
如图 1，定义大地坐标系 Og xg y g z g （标记为 Sg）与大地 固联，原点 Og 是平面大地上某点，轴 zg 铅垂向下，轴 xg 在水 平面内方向与飞行任务相关，轴 yg 按右手定则确定；本体系
1.3 总体仿真思路
1) 根据飞机当前的位置和姿态来自量以及非弹性质量部 求解飞机三个机轮的质心 分 m2i 的相对于机体的运动情况， 位置，从而求得三个机轮的轮胎压缩量，计算出轮胎受到的 地面垂直反力和摩擦力。 2) 根据三个起落架当前的缓冲器的压缩量和压缩速 度，求取缓冲器作用力。 3) 如图 2 中的过程①将轮胎受到的地面合力进行分解， 并将其重新投影到飞机本体坐标系， 然后如图 2 中的过程② 将其沿着 zb 轴的力与缓冲器作用力的合力作用于机轮轮 心，求出非弹性质量部分 m2i 相对于机体的竖直运动。 ·3868·
Fli
yb
y
m2 −F li
z
θ
i
O
S Sbb
y y bb
Fli Fli
i
x
zb zb
xx gg
Sg g S
O O gg
yy gg
zb b
m2
zg g 图 1 飞机坐标系的定义
m
Fs i m 的 z 轴受力 2i zb 2 的 b轴 受
i
力
图 2 仿真思路示意图
在这两个坐标系中可以定义飞机的三个姿态角。 偏航角
坐标得到轮心在世界坐标系内的坐标，具体公式如下： xlig = cosψ cos θ ( xlib + xb ) +
(cosψ sin θ sin φ − sinψ sin φ )( ylib + yb ) + ylig (cosψ sin θ cos φ + sinψ sin φ )( hli + Lli + U i + zb ) = sinψ cos θ ( xlib + xb ) + (sinψ sin θ sin φ + cosψ cos φ )( ylib + yb ) + (sinψ sin θ cos φ − cosψ sin φ )( hli + Lli + U i + zb ) zlig = − sin θ ( xlib + xb ) + cos θ sin φ ( ylib + yb ) + cosθ cos φ (hli + Lli + U i + zb )
2
仿真具体实现
下面依次阐述上述仿真思路的具体实现过程。
2.1 飞机的机体运动模型
飞机的运动可分为质心的平动和转动， 因此飞机的机体 运动方程可由如下方程组成： 质心动力学方程为： ⎡ dVxb ⎤ ⎢ dt ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ ωzbV yb − ω ybVzb ⎤ ⎢ dV yb ⎥ = ⎢ ω V − ω V ⎥ + ∑ F zb xb ⎥ ⎢ dt ⎥ ⎢ xb zb m ω ybVxb − ωxbV yb ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎣ ⎦ dV zb ⎢ ⎥ ⎢ dt ⎦ ⎥ ⎣ 质心运动学方程为： ⎡ dxg ⎤ ⎢ dt ⎥ ⎡Vxb ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ dy g ⎥ = L ⎢V ⎥ gb ⎢ yb ⎥ ⎢ dt ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎣Vzb ⎥ ⎦ ⎢ dz g ⎥ ⎢ dt ⎦ ⎥ ⎣
Flixb O
−Fs
i
Fli
yb
Fli
y
Fli
x
Fs Fs
i
i
Oxb yb zb （标记为 Sb）是与飞机本体固定联系的。原点 O 在飞
机的质心，纵轴 xb 沿飞机结构纵轴指向前，竖向轴 zb 在对称 平面内，垂直于纵轴指向下，横向轴 yb 垂直于对称面指向右。
x xbb
m1
i
Flixb
Fli
Fli
型可以体现出飞机降落时的复杂姿态变化和每个起落架的反复压缩过程， 采用了一种反向受力传递 的分析方法， 并将飞机的六自由度运动方程与三个起落架微分方程联立。 通过仿真分析得到此模型 可以准确的体现飞机的任意着陆过程，而且基本上与实际物理过程相符。 关键词：任意着陆状态仿真；起落架模型；飞机的六自由度运动模型；舰载机 中图分类号：V226 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 13-3867-05
引
言1
在飞机的飞行仿真系统中， 起落架模型建立是一个重要
现象，这也使得该过程的起落架模型建立成为一项艰巨任 务。本文针对这一现象出发，综合分析了复杂着陆过程中起 落架与地面的作用及其与机体本身的作用特点， 建立了能够 适应任意飞机接地姿态的起落架缓冲力学模型。
环节，也是难点，其真实程度直接决定了仿真系统中各个环 节（尤其是飞机着陆过程）的仿真效果真实性。起落架建模 一般有两个目的， 一部分是为了分析起落架自身的强度特点 和振动特性等， 如文献[1-3]中深入的建立了起落架的缓冲系 统模型，简化了飞机的运动特性，其中有些将飞机简化为质 量块形式，该类模型主要用于单起落架缓冲特性曲线仿真； 另一部分起落架模型研究是为了实现飞机的飞行仿真， 此时 更强调三起落架的综合分析及其与飞机的综合作用， 用于飞 机着陆于平坦的地面，且接地姿态较固定的仿真，故许多文 献[4-5]在仿真过程中对飞机运动自由度及飞机与起落架的 综合作用过程作了各种简化，从而简化仿真工作。 本文研究的起落架模型主要服务于舰载机在母舰平台 上起降的综合仿真系统，存在许多特殊性。由于母舰甲板上 的飞机着舰对着舰点的精度要求很高， 而且飞机引导过程存 在误差，再加上气流扰动等异常因素的影响，飞机的着舰姿 态多种多样，接地瞬间将会出现各种倾转、翻滚、振荡等复 杂运动状态， 起落架系统也会出现多次反复伸缩等复杂运动