基于有理谱法的大气紊流仿真及应用研究

2013-08-09曹九发沈宏良王同光

飞行力学 2013年4期

曹九发，沈宏良，王同光

(南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016)

0 引言

大气紊流是飞机飞行过程中经常遇到的一种大气扰动现象，它是叠加在定常风上的风速矢量的连续随机脉动［1-2］。当飞机遇到大气紊流时将发生颠簸，从而影响乘坐舒适性和飞行安全。同时，大气紊流引起的载荷变化对飞机结构疲劳产生一定影响，尤其是弹性飞行器，将激发弹性模态导致机体损伤。为此，建立大气紊流时域数学模型，并研究大气紊流对飞机运动特性及载荷变化的影响，进而设计阵风减缓控制律，是飞行动力学的一个重要研究方向。

从20世纪50年代开始，国外对大气紊流现象进行理论和试验研究，并提出了Von Karman和Dryden两种功率谱模型。在弹性飞行器动力学特性研究中，由于飞机结构模态频率通常处于高频范围，采用Von Karman模型成为最佳的选择［3-5］。

国内对基于Von Karman功率谱模型的大气紊流时域数据生成方法研究相对较少，且已有的研究也存在一定不足。文献［6］采用三维傅立叶变换方法得到Von Karman模型的大气紊流数据，该方法计算量大，不能得到有理式形式，不便于飞行控制律设计。文献［7］直接将Von Karman功率谱模型简化为一阶线性模型，存在精度低的缺点。

本文采用有理谱方法对Von Karman模型频谱函数进行逼近，推导得到逼真程度较高的线性模型滤波器，较真实地反映了实际大气紊流特性，可应用于飞机运动特性分析、载荷计算及控制律设计等方面。