仿真軟件模擬飛機飛行技能

寂靜天花板

薩博公司Skeldar V200 旋翼無人機在固定翼機占主體的市場中占據(jù)一席之地。Skeldar 無人機不需要飛機跑道；另外，它能夠在同一位置盤旋。這種無人機的尺寸為4.0m x 1.3m x 1.2m，速度為130 公里/ 時，最高可達到150 公里/ 時。其設(shè)計初衷是陸海兩用巡邏、輕型運輸、進行電子戰(zhàn)爭以及監(jiān)視等等。
        面臨的挑戰(zhàn)
/ U4 g# Z* a# ?. M0 _$ |        在Skeldar 無人機的早期開發(fā)階段，問題主要集中于樣機的穩(wěn)定性上。以前在開發(fā)樣機時，人們應(yīng)用了數(shù)學(xué)模型加以輔助，但樣機的飛行技能卻顯示出這些模型并未真正捕捉到無人機飛行技能的精髓。事實上，旋翼無人機飛行技能的仿真法要求其能夠精準(zhǔn)捕獲轉(zhuǎn)軸葉片和氣流之間的相互作用，這種相互作用是葉片在升起時飛機傾斜造成的——但是據(jù)MSC軟件公司和薩博公司透露，截止到目前，任何一種仿真法都無法達到此要求。
/ `4 U, [  V1 G* m( N( i/ V7 D* s        Adams 仿真軟件：模擬現(xiàn)實生活中的物理現(xiàn)象
, y- t' V, d6 I1 s: u3 I% F# X9 `        作為一種多體動力學(xué)的模仿軟件，Adams 軟件能夠通過早期確認(rèn)的系統(tǒng)級設(shè)計提高工程的效率、降低產(chǎn)品研發(fā)的費用。工程師們可以評估并且操控不同學(xué)科之間復(fù)雜的相互作用——包括動勢、結(jié)構(gòu)、吸合以及操控等，以此來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、更好的提高產(chǎn)品性能、安全性以及舒適度。由于Adams仿真軟件有極強的分析能力，再通過利用高性能計算環(huán)境，現(xiàn)在能夠解決更大型的問題。
0 \! N, d6 _7 k) o+ \4 O        Adam 仿真軟件現(xiàn)在能通過有限元分析法（FEA）在更短的時間內(nèi)運行非線性動力學(xué)，它所計算出的負(fù)荷和力通過為一系列動態(tài)環(huán)境和操作環(huán)境提供更精確的評估數(shù)據(jù)，而提高了有限元分析法的準(zhǔn)確性。
6 a4 ]0 K4 }  G! F        準(zhǔn)確性與解決方案
, U/ s/ C; n% Y: g        Per Persson 博士是薩博公司的一名技術(shù)人員，主要研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)。他使用MSC 軟件公司的Adams 仿真軟件來模仿Skeldar 無人機的飛行技巧。Per Weinerfelt 博士同樣是此公司的技術(shù)人員，他是空氣動力學(xué)和流入建模理論的堅定支持者；同時，還將Adams 仿真法運用到了直升飛機的結(jié)構(gòu)模型中。
. F- r! v6 G) H0 a& [2 I* w7 D        MSC Nastran 公司的研究人員把兩個旋翼當(dāng)作8 個靈活的物體做成模型并使有代表性的模式成為Adams模型的一部分。將旋翼分割成更小的部分使旋翼外部的剛體運動應(yīng)用到葉片內(nèi)部，以更準(zhǔn)確地模擬葉片在飛機飛行過程中的變形。旋翼的每一小部分都包括大約25 個梁單元，并且都有其不同的特點。此項飛行試驗重點放在飛機的旋翼系統(tǒng)上，因此直升機的主要框架只被簡單展示為一個剛體結(jié)構(gòu)。
        操縱于無人機上的空氣動力是由一種模型為載體進行計算的，這種模型作為用戶定義函數(shù)常被應(yīng)用于Adams 仿真軟件中。旋翼和直升機框架上的直線電機為空氣動力模型提供了輸入數(shù)據(jù)；空氣動力是由葉片動作計算得出的，應(yīng)用在葉片旁邊的不同位置上。直升機框架上的拖曳力與一種方形板類似，葉片的變形或是動勢都能對攻擊區(qū)計算角度產(chǎn)生影響。升力線方法計算出的升力和阻力，加之Peters-He 流入模型，能夠捕獲到飛機下降氣流的高度非線性作用。
% [4 J) ?! ^: o7 |        空氣動力的下降力要求與機翼的升力大小相同，但方向相反，因此，Persson 博士和Weinerfelt 博士在模型中注入了升力，反沖了下降力。
$ r( ^) d6 J5 H+ k        實際飛行控制系統(tǒng)方程組的一個狀態(tài)空間示意圖操控著模擬飛行器。其狀態(tài)空間系統(tǒng)包括：位置誤差反饋、時間積分位置反饋以及時間導(dǎo)數(shù)位置反饋。另外，無人機的動作同樣還依靠于其姿態(tài)，操縱系統(tǒng)也是由其姿態(tài)以及姿態(tài)評級反饋的。將旋轉(zhuǎn)應(yīng)用于主轉(zhuǎn)軸中可以驅(qū)動模型；尾槳操縱還可以防止無人機隨著旋翼一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)葉片的動勢可以應(yīng)用于外部空氣動力負(fù)荷中去。這些都是使得直升機可以運動的原因；操控系統(tǒng)則利用直升機的動勢控制主旋翼和尾槳的旋轉(zhuǎn)方向。
        之后，此項實驗規(guī)模擴大，進一步驗證了上述模型的正確性。葉片上的靜模態(tài)測量與計算數(shù)據(jù)基本一致；旋翼距經(jīng)過旋翼試驗，最后數(shù)值也與模型得出的數(shù)值相似。上述實驗?zāi)Ｐ秃芎玫尿炞C了葉片動勢的整體形狀；通過從仿真模型實驗?zāi)Ｐ头答侊w行操控的輸入值，使得飛行技能與飛行試驗相互關(guān)聯(lián)。盡管并不知道飛行器在實際飛行時的風(fēng)向以及風(fēng)力，但該模型依然復(fù)制了原型的間距和滾動反映。在接下來的操控性測試中，無風(fēng)的情況下如果使用更小的控制輸入法，模型甚至可以得出更完善的測量數(shù)據(jù)。
2 T" C0 z) J- H6 W        結(jié)論
/ G+ G& a, P: z: M1 l        在確認(rèn)模型試驗的結(jié)果之后，Persson將其應(yīng)用于在飛機原型中所出現(xiàn)的問題，卻發(fā)現(xiàn)仿真軟件模型將這些問題原原本本的復(fù)制了下來。與用儀器對原型進行測量相比較，仿真軟件模型提供了更為詳細的信息——例如扇葉不同位置上的空氣動力信息。由于模型試驗的優(yōu)點，在更多條件下評估無人機的性能成為了現(xiàn)實——而這在以前真正的飛行試驗中，考慮到時間、金錢以及承擔(dān)的風(fēng)險等因素，評估飛機原型性能是不可能實現(xiàn)的。仿真實驗的結(jié)果幫助Persson 以及薩博公司其他的工程師們找到了飛機不穩(wěn)定問題的根源所在，并且尋求到了解決方案。在人們升級了模型試驗并進行進一步模擬后，上述問題便消失了——之后，飛機原型的試驗也進行了相同的升級，測試用的飛機所顯示出的問題也切實得到了解決。
+ j+ ^+ P- x. f6 z& U$ t        最后，Persson 博士總結(jié)道：“Adams仿真軟件節(jié)省了我們至少半年的時間，否則的話我們就得花費半年的時間用于改進以及測試飛機原型上。”
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番茄西瓜

真不錯

wangqing1

這才是技術(shù)啊，為此愿付出畢生