基于MATLAB编程实现的民用喷气飞机配平计算软件

基于MATLAB编程实现的民用喷气飞机配平计算软件

摘要：基于配平计算原理，针对常见的民用喷气式飞机，开发了一套民用喷气飞机配平计算软件，计算飞机舵面效应以及多项操纵稳定性指标，主要用于民用飞机的初步设计阶段。

关键词：MATLAB；配平计算；民用飞机

0引言

飞机飞行品质是驾驶员和飞机设计师们最关心的问题，它是衡量飞机质量的重要组成部分。为此，世界各航空工业发达国家的专门机构和专家竞相开展对飞机飞行品质及评价方法的研究。飞机配平是飞机品质计算的基础和前提。对于民用飞机而言，飞机的配平计算结果直接影响到飞机的设计方案修改、操稳性能指标、控制率设计等，所以能够准确便捷地进行飞机配平计算显得尤为重要。本文使用世界先进的计算软件——MATLAB/SIMULINK平台，编制成民用喷气飞机配平计算软件。该软件融入了对CCAR25部的研究经验，因此适用于各类民用运输机飞行品质的设计研究，具有广泛的通用性。

本文以某一飞机为基础，用SIMULINK建立其气动模型和运动模型，并在此基础上建立配平模块算法，将横向配平和纵向配平融为一体，达到横向和纵向均配平。

1软件简介

在评估飞机性能时需要配平后的气动力数据，飞机配平计算主要研究飞机在特定条件下，能够让飞机达到合力和合力矩平衡的飞机舵

面偏度、推力以及姿态角。描述飞机在空中的受力情况参数包括飞机的速度、高度、重量、姿态角、舵面偏度等。

本软件可以对民用飞机的失速速度、平飞需用推力、升降舵效率、平尾效率、方向舵效率以及单发横航向稳定性等极限快速计算，其主要结构如图1所示。

本软件根据实际情况可以调节计算精度以及存储方式，计算结果满足工程应用以及初步设计要求。

2编程实现技术

作为一种飞机设计专用软件，民用喷气飞机配平计算软件需要兼顾界面的友好性、专业性，以及技术的高效性、准确性。Matlab作为Math Works公司开发的科学计算环境，具有强大的计算绘图能力，被誉为“演算纸”式的工程计算工具。SIMULINK模块作为Matlab 科学计算环境中的一部分，是一种强有力的图形化仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代价来模拟真实动态系统的运行。利用SIMULINK可视化的建模方式，迅速地建立动态系统的框图模型，只需在SIMULINK 图块元件库中选出合适的模型块拖放到SIMULINK 建模窗口，鼠标点击连接就可以了。SIMULINK的示波器可以动态显示数据，能够在仿真运算时监视仿真结果。SIMULINK的交互仿真功能使假设分析简单易行——运行中可随时改变模型参数并可立刻得到改动后的计算结果。由于SIMULINK完全集成于MA TLAB，在SIMULINK下计算的结果可保存到MA TLAB的工作空间，因而能够使用MATLAB所具有的众多分析工具、可视化工具及其它工具箱对

数据进行分析处理。

本软件编写时处于Matlab运行环境下，通过GUI程序调用SIMULINK模块，再将计算结果返回到GUI程序的变量空间中，进行输出处理，然后编译成exe程序脱离MATLAB运行环境，大大提高了运算速度。

3软件使用方法

本文通过对配平方式进行选择，详细说明各种不同配平方式所能计算的操稳性能指标。由于该软件适用于各类飞机，在初次使用需要导入飞机的气动力SIMULINK模型以及发动机SIMULINK模型，如果用户没有MATLAB软件，也可以使用VC函数进行导入。具体做法如下：

（1）首先在“基本数据”文件夹中找到文件“aerodynamic.mdl”并打开，对模块内部进行填充，使其输出的6项参数为指定飞机的气动力系数，模型形式如图2所示。

（2）其次在“基本数据”文件夹中找到文件“thrust.mdl”并打开，对模块内部进行填充，使其输出的6项参数为指定飞机在重心位置处的机体轴系下的三分力和力矩，模型如图3所示。

（3）以上数据更新成功后，就可以运行“民用喷气飞机配平计算软件”了。双击相应运行图标或快捷方式，即可运行该软件，如图4所示。

（4）软件界面左上角，可以选择双发模式或者单发模式，选择双发模式时两台发动机均参与配平计算；选择单发模式时，仅一台发

动机参与配平，另一台发动机推力自动设置成零值，此选择项的设置可以计算飞机在处于单发情况下舵面效率是否能够使飞机保持平飞状态，适用于适航条款中关于单发停车情况的计算分析。

（5）双发模式和单发模式选择项下面为发动机推力和航迹倾角选择项，选择发动机推力项适用于计算固定推力（最大起飞推力、最大连续推力、慢车推力等）情况下飞机配平所需舵面和航迹倾角的数值；选择航迹倾角项适用于计算平飞、起飞、着陆过程中需要的发动机推力值。发动机推力输入项见图5。

（6）软件界面左下角的方向舵偏度和滚转角选择项用于设置指定的方向舵偏度或者指定滚转角进行配平，指定方向舵偏度值时可以计算飞机在方向舵卡阻情况下操作其它舵面能否保持飞机平飞状态。飞机横航向参数输入项见图6。

（7）软件界面右侧为飞机的基本信息填写项，选项中除了考虑到飞机的基本构型外，还设置了校正空速和马赫数的单选项，方便用户在仅知道校正空速或者马赫数中的一个值时免于换算进行计算分析。以上设置完成后，点击正下方“配平”按键即可进行配平计算，计算结果以文本文件形式进行输出。在“计算结果”的子文件找到新增加的txt文本。打开如图7所示。

至此，用户可以快速获得飞机的配平计算结果，进而分析飞机的舵面效率和相应操稳特性能否满足适航要求，并且为下一步线性分析提供线性矩阵。

4结语

本文介绍了一款实际用于工程计算的软件。该软件基于MATLAB的编程，可以方便，高效地进行民用飞机的配平计算分析。该软件具有友好的用户界面，以及快速、准确的计算性能，有利于提高民用飞机的设计水平和设计效率，是一款实用的民用飞机研发工具。

参考文献：

[1]航空气动力手册编委会.航空气动力工程计算手册[M].北京：航空工业出版社，1995.

[2]熊海泉，刘旭，郑本武.飞机飞行动力学[M].北京：航空工业出版社，1990.

[3]高金源.飞机飞行品质[M].北京：国防工业出版社，2003.