仿真软件模拟飞机飞行技能

寂静天花板

萨博公司Skeldar V200 旋翼无人机在固定翼机占主体的市场中占据一席之地。Skeldar 无人机不需要飞机跑道；另外，它能够在同一位置盘旋。这种无人机的尺寸为4.0m x 1.3m x 1.2m，速度为130 公里/ 时，最高可达到150 公里/ 时。其设计初衷是陆海两用巡逻、轻型运输、进行电子战争以及监视等等。
# t1 U$ g" ^* L) c5 {7 i        面临的挑战
; |4 Q4 E5 `# E        在Skeldar 无人机的早期开发阶段，问题主要集中于样机的稳定性上。以前在开发样机时，人们应用了数学模型加以辅助，但样机的飞行技能却显示出这些模型并未真正捕捉到无人机飞行技能的精髓。事实上，旋翼无人机飞行技能的仿真法要求其能够精准捕获转轴叶片和气流之间的相互作用，这种相互作用是叶片在升起时飞机倾斜造成的——但是据MSC软件公司和萨博公司透露，截止到目前，任何一种仿真法都无法达到此要求。
: O6 L% G& ^0 F* r! e4 w        Adams 仿真软件：模拟现实生活中的物理现象
4 ~4 i0 C0 p% I8 \! d1 w        作为一种多体动力学的模仿软件，Adams 软件能够通过早期确认的系统级设计提高工程的效率、降低产品研发的费用。工程师们可以评估并且操控不同学科之间复杂的相互作用——包括动势、结构、吸合以及操控等，以此来优化产品设计、更好的提高产品性能、安全性以及舒适度。由于Adams仿真软件有极强的分析能力，再通过利用高性能计算环境，现在能够解决更大型的问题。
        Adam 仿真软件现在能通过有限元分析法（FEA）在更短的时间内运行非线性动力学，它所计算出的负荷和力通过为一系列动态环境和操作环境提供更精确的评估数据，而提高了有限元分析法的准确性。
3 }3 C) h3 m5 S: J' q        准确性与解决方案
: b4 A$ k/ j# x; S# q        Per Persson 博士是萨博公司的一名技术人员，主要研究结构动力学。他使用MSC 软件公司的Adams 仿真软件来模仿Skeldar 无人机的飞行技巧。Per Weinerfelt 博士同样是此公司的技术人员，他是空气动力学和流入建模理论的坚定支持者；同时，还将Adams 仿真法运用到了直升飞机的结构模型中。
) P7 W) c% ]8 m( F$ ]+ n        MSC Nastran 公司的研究人员把两个旋翼当作8 个灵活的物体做成模型并使有代表性的模式成为Adams模型的一部分。将旋翼分割成更小的部分使旋翼外部的刚体运动应用到叶片内部，以更准确地模拟叶片在飞机飞行过程中的变形。旋翼的每一小部分都包括大约25 个梁单元，并且都有其不同的特点。此项飞行试验重点放在飞机的旋翼系统上，因此直升机的主要框架只被简单展示为一个刚体结构。
6 ~$ r' U5 M  y' v0 j9 w" R# z        操纵于无人机上的空气动力是由一种模型为载体进行计算的，这种模型作为用户定义函数常被应用于Adams 仿真软件中。旋翼和直升机框架上的直线电机为空气动力模型提供了输入数据；空气动力是由叶片动作计算得出的，应用在叶片旁边的不同位置上。直升机框架上的拖曳力与一种方形板类似，叶片的变形或是动势都能对攻击区计算角度产生影响。升力线方法计算出的升力和阻力，加之Peters-He 流入模型，能够捕获到飞机下降气流的高度非线性作用。
( O5 z" ^% J4 [) Z; ]7 v        空气动力的下降力要求与机翼的升力大小相同，但方向相反，因此，Persson 博士和Weinerfelt 博士在模型中注入了升力，反冲了下降力。
        实际飞行控制系统方程组的一个状态空间示意图操控着模拟飞行器。其状态空间系统包括：位置误差反馈、时间积分位置反馈以及时间导数位置反馈。另外，无人机的动作同样还依靠于其姿态，操纵系统也是由其姿态以及姿态评级反馈的。将旋转应用于主转轴中可以驱动模型；尾桨操纵还可以防止无人机随着旋翼一起旋转，旋转叶片的动势可以应用于外部空气动力负荷中去。这些都是使得直升机可以运动的原因；操控系统则利用直升机的动势控制主旋翼和尾桨的旋转方向。
0 D: w' Y1 D! y( R1 [2 ?( y        之后，此项实验规模扩大，进一步验证了上述模型的正确性。叶片上的静模态测量与计算数据基本一致；旋翼距经过旋翼试验，最后数值也与模型得出的数值相似。上述实验模型很好的验证了叶片动势的整体形状；通过从仿真模型实验模型反馈飞行操控的输入值，使得飞行技能与飞行试验相互关联。尽管并不知道飞行器在实际飞行时的风向以及风力，但该模型依然复制了原型的间距和滚动反映。在接下来的操控性测试中，无风的情况下如果使用更小的控制输入法，模型甚至可以得出更完善的测量数据。
) p6 W. h9 M% N: b        结论
" v, V# s% _) U8 I7 Z: k( |        在确认模型试验的结果之后，Persson将其应用于在飞机原型中所出现的问题，却发现仿真软件模型将这些问题原原本本的复制了下来。与用仪器对原型进行测量相比较，仿真软件模型提供了更为详细的信息——例如扇叶不同位置上的空气动力信息。由于模型试验的优点，在更多条件下评估无人机的性能成为了现实——而这在以前真正的飞行试验中，考虑到时间、金钱以及承担的风险等因素，评估飞机原型性能是不可能实现的。仿真实验的结果帮助Persson 以及萨博公司其他的工程师们找到了飞机不稳定问题的根源所在，并且寻求到了解决方案。在人们升级了模型试验并进行进一步模拟后，上述问题便消失了——之后，飞机原型的试验也进行了相同的升级，测试用的飞机所显示出的问题也切实得到了解决。
7 `- r5 @  @8 |. n& f' @% O3 a% T1 B        最后，Persson 博士总结道：“Adams仿真软件节省了我们至少半年的时间，否则的话我们就得花费半年的时间用于改进以及测试飞机原型上。”
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番茄西瓜

真不错

wangqing1

这才是技术啊，为此愿付出毕生