Как выполнить расчет производительности по «первому принципу»?

Я аспирант по динамике полета и управлению. На этой неделе мне дали задание изучить методы расчета летно-технических характеристик самолета. После некоторого поиска в Интернете я обнаружил, что традиционные методы зависят от табличных данных в руководстве по летной эксплуатации самолета (APM), и около десяти лет назад и Boeing, и Airbus начали выполнять расчет характеристик, используя метод «первого принципа».

Я прочитал консультативный циркуляр, в котором дается определение этого метода:

Расчет с использованием основных параметров, таких как подъемная сила, сопротивление, мощность или тяга и т. д., с использованием уравнений движения. ( № АС: 25.1581-1, изменение 1. )

И документ Airbus дает некоторые пояснения по этому методу:

Следующий шаг в процессе расчета характеристик, именуемый OCTOPUS (универсальное программное обеспечение для эксплуатационных и сертифицированных взлетов и посадок), не только предлагает те же преимущества, что и TLC, но и кардинально меняет метод расчета характеристик. Он больше не основан на предварительно вычисленных данных, а использует режим «первого принципа», который позволяет проводить расчеты в режиме реального времени, чтобы извлечь выгоду из более высокого взлетного веса. Вместо сглаженных предварительно рассчитанных результатов производительности база данных производительности OCTOPUS содержит все характеристики самолета и двигателя, что позволяет вычислять характеристики на основе уравнений физики. Кроме того, OCTOPUS представляет новый и улучшенный формат диаграммы взлета с использованием нескольких конфигураций и влияний. (« Введение в летно-технические характеристики самолета », Airbus)

Однако я не нашел ни статьи, ни отчета на эту тему. Есть ли кто-нибудь, кто мог бы помочь, предложив некоторые подробности этого метода или предоставив некоторые ссылки?

Ответы (3)

Уравнения движения — самая легкая часть. По сути, вы смотрите на все силы, воздействующие на самолет (подъемная сила, тяга, сопротивление, вес), и уравновешиваете их правильными настройками управления (руль высоты, дроссель) и ускорениями (если тяга > сопротивление, ускорение вперед равно (тяга - сопротивление)/ масса).

Это вы повторяете снова и снова, шаг за шагом. На следующем временном шаге самолет будет двигаться с новой скоростью, которую вы получите, умножив прямое ускорение на время и высоту, если скорость набора высоты отлична от нуля. Новая, измененная масса – это старая масса за вычетом топлива, израсходованного на последнем временном шаге. И так далее. Это включает в себя преобразование координат, поскольку одни силы определяются в аэродинамической, а другие в системе координат самолета. NASA Langley опубликовало программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое делает именно это ( LaRCsim ).

Для очень высокой точности вы можете даже смоделировать инерцию и рассчитать, какое отклонение элеронов необходимо для достижения желаемой скорости крена в следующем временном шаге, но даже без этого вы получите очень точные данные, если силы правильные.

Трудная часть состоит в том, чтобы прийти к правильным силам. У нас здесь было несколько вопросов с запросом аэродинамических данных современных авиалайнеров, и каждый раз ответ был: они держатся в секрете. Вам нужно сделать свой собственный анализ, и то же самое с данными двигателя. Старые методы полагались на табличные данные, но для расчета условий, выходящих за рамки действия таблицы, они должны рассчитывать силы аналитически. Чтобы получить представление о том, какие параметры нужно учитывать, посмотрите вот этот ответ про модуль Boeing SCAP .

Однако даже некоторые грубые предположения могут очень приблизить вас к реальному результату.

Я нахожу, что базовые данные подъемной силы/сопротивления удивительно точны для (летных) характеристик в «Аэродинамическом дизайне транспортного самолета» Оберта, однако я не нашел подобных открытых данных по характеристикам двигателя, в основном по соотношению тяги/расхода топлива. Я не уверен, насколько близко можно подойти к моделированию уравнений газовой динамики двигателя, используя аналогичные открытые данные. Для (сертифицированных) взлетно-посадочных характеристик также вступают в игру дополнительные соображения, поскольку они также зависят от спойлера, тормозов и даже от характеристик летчика-испытателя.
Большое спасибо, Питер. Я знаком с моделированием динамики самолета и моделированием полета, поскольку они необходимы для проверки конструкции системы управления. Что касается моделирования и последующих расчетов/моделирования характеристик, аэродинамические данные и модель двигателя действительно имеют решающее значение, хотя их нелегко получить (если вообще возможно). На данный момент я пытаюсь выяснить, как выполнить расчет характеристик «первого принципа», то есть процедуры, методы и т. Д. И фактический расчет конкретного типа самолета выходит за рамки моей текущей компетенции.
Вчера я искал в Интернете и обнаружил, что Jeppesen и Boeing предложили инструмент расчета производительности ( Jeppesen / Boeing ), в брошюре Jeppesen прямо указано, что используется метод «первого принципа». Я предполагаю, что это тот же случай с продуктом Boeing, поскольку расчет «в реальном времени» включен в качестве функции.
Я также искал Engine Village и Web of Knowledge (две большие базы данных журналов), однако я не смог найти ни одной академической статьи или отчета, объясняющего конкретные методы, необходимые для таких расчетов, что кажется странным. Интересно, это уже описано в классических учебниках по летной механике? Может быть, мне нужно снова взяться за книги...
@Tomas: Да, учебники должны хорошо освещать эту тему. Интернет-камера слишком поздно, поэтому то, что вам нужно, все еще находится в основном в книгах. В качестве базы данных по перетаскиванию я рекомендую книги Зигхарта Хёрнера . Однако вам действительно следует выбрать конкретный тип или создать общий. В конце концов, вам нужны фактические данные о силе, массе, тяге и расходе топлива. Для симуляции двигателя используйте Gasturb — я всегда создавал из него колоду двигателя и масштабировал ее вверх и вниз при изменении параметров в моих моделях.
@PeterKämpf Хм, понятно. Большое спасибо за Вашу помощь.

Это аэродинамические и инерционные данные, которые также используются в полнопилотажных симуляторах (FFS). И Airbus, и Boeing предоставляют пакет данных для FFS уровня D, где в начале полета инструктор вводит полезную нагрузку, центр тяжести, топливную загрузку и т. д., а результирующая динамика самолета используется для моделирования полета.

Вы можете посмотреть программное обеспечение симулятора полета для ПК с открытым исходным кодом, такое как FlightGear, которое имеет модели аэродинамики и динамики полета как для A320, так и для B737. Упрощенный и не сертифицированный, конечно, поэтому нет ссылки на фактическую точность, но они должны получить разумный результат, если смоделированная динамика находится на приблизительном уровне.

Спасибо за Ваш ответ. Итак, я полагаю, вы имеете в виду, что основное различие заключается в данных, используемых для выполнения расчета, тогда как основной метод расчета одинаков: либо традиционным способом, основанным на табличных данных, либо «современным» способом с использованием метода «первого принципа». Так ли это?
« Расчет с использованием основных параметров, таких как подъемная сила, сопротивление, мощность или тяга и т. Д. С уравнениями движения ». С " уравнениями движений " понятно, с " базовыми параметрами " можно немного запутаться. Справочник по старому методу состоял из табличных данных. Первый принцип использует результат уравнений движения в качестве эталона. Как старый метод, так и метод первого принципа могут использовать одни и те же аэродинамические данные в качестве входных данных, возможно, также в виде табличных данных, при этом первый принцип обеспечивает гораздо более высокую степень детализации и точности. Доступно гораздо больше степеней свободы.
Я понимаю вашу точку зрения, использование уравнений движения в качестве инструмента анализа обеспечивает более плодотворные результаты и возможности расчета производительности. Вы когда-нибудь читали какую-либо статью или отчет, объясняющие особенности использования метода первого принципа?
Я знаком с теми же методами, что и при работе над исходным кодом моделей аэродинамики, двигателей и динамики полета в полнопилотных симуляторах. Я не читал статьи, объясняющей особенности первого принципа, однако из определения я понимаю, что он полностью идентичен FFS.
Ваша работа звучит круто! Спасибо за вашу ссылку, я пойду, чтобы найти несколько статей в области FFS, чтобы прочитать.

Единственный способ правильно выполнить расчет «первого принципа» - это (численно) оценить основные уравнения движения, найденные в учебниках по механике полета. К сожалению, для этого требуется много информации о характеристиках самолета (например, данные о лобовом сопротивлении или параметрах двигателя), которые, как правило, не публикуются для большинства самолетов из-за их важности для бизнеса. Побочное примечание: оценки могут помочь вам довольно далеко!

Программное обеспечение, предоставляемое производителем, такое как OCTOPUS (Airbus) или BPS (Boeing), содержит метод численной оценки (часто упрощенных) уравнений движения и необходимые базы данных самолетов, но, насколько мне известно, не является общедоступным.

Ага, я понимаю, что для достижения определенной степени точности необходима информация в виде аэродинамических коэффициентов и моделей двигателей. Но пока меня интересуют конкретные методы/процедуры, необходимые для выполнения расчетов «первого принципа». Вчера я искал Engineer Village и Web of Knowledge (две большие базы данных журналов), однако я не смог найти ни одной академической статьи или отчета, объясняющего конкретные методы, что кажется странным. Интересно, это уже описано в классических учебниках по летной механике?
Как выполнить расчет производительности по «первому принципу»?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v