吴戴鹏　王磊　黎先平

【摘 要】受限于风洞试验和计算机数值模拟分析（CFD）与空中真实飞行环境的差异性，基于风洞数据和CFD数据而建立起来的气动模型往往无法直接满足CCAR-60部，因此，有必要对飞机的气动模型进行辨识和修正。本文简要论述了民机领域气动模型修正的一般流程和注意事项， 利用试飞数据来辨识气动参数，并对模型进行修正以获取精确的气动模型。

【关键词】气动模型；参数辨识；模型修正

中图分类号： V211.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）06-0111-002

【Abstract】Constrained by the differences between wind tunnel test and computer numerical simulation （CFD） and real flight environment in the sky，aerodynamic models based on wind tunnel data and CFD data often cannot directly meet the CCAR-60 department.Therefore，It is necessary to identify and correct the aerodynamic model of the aircraft.This article briefly discusses the general flow and precautions of aerodynamic model correction in the field of civil aircraft，uses test flight data to identify aerodynamic parameters，and corrects the model to obtain an accurate aerodynamic model.

【Key words】Aerodynamic model；Parameter identification；Model correction

0 引言

飞机气动模型的理论气动数据是通过各种雷诺数风洞的吹风试验、CFD数值模拟计算和工程估算等所得的基准气动数据。但风洞试验在几何外形、环境条件以及流场特性等方面都与真实飞机的空中飞行存在一定差距；CFD计算结果的精度明显依赖于计算方法的选择；至于工程估算受限于估算过程所做的前提假设，这样导致飞机的理论气动数据的精度受限。因此，有必要利用飞机空中试飞数据对飞机的气动模型进行辨识和修正。

飞机气动模型修正包括试飞方案设计、试飞执行、数据采集与处理、气动参数（导数）辨识、仿真调参和模型修正，其中气动参数辨识是模型修正的方法核心。民机模型修正根据对试飞数据的不同要求一般可以分为基于物理解析的静态配平法和基于动态激励的参数寻优法，模型修正的一般流程如图所示。

1 气动模型修正方案

1.1 试飞方案设计

气动模型修正是基于空中试飞数据对模型结构的调整和模型参数的辨识。因此，模型修正的首要任务是获取可用于模型修正的试飞数据，需要根据模型修正的需求开展试飞方案设计。

针对民用飞机的特点，基于气动参数辨识的试飞方案主要分为两个阶段：一是为满足依托气动模型的主飞行控制律需求和自动飞行控制律需求的更新工作，在飞机正常包线内的试飞方案设计；二是针对民机包线拓展，对失速、高速和地效等高风险科目气动参数辨识的试飞方案设计，以完成民用飞机气动参数辨识在边界包线的工作。

根据所选用参数辨识方法的不同，试飞方案的设计又包括飞机稳定飞行的配平方案设计和飞机机动的激励方案设计。飞机空中配平一方面是为物理解析气动参数辨识提供配平数据，另一方面是为了给动态激励辨识气动参数提供机动动作前飞机的基准姿态。其中基于物理解析的静态配平法主要数据来源就是配平数据，因此要求飞机在不同重量重心条件下实现配平，以充分实现对飞机的物理解析。而动态激励法除了需要设计配平方案以外，还需要在配平点处设计机动动作，且机动动作必须要能够充分激发出飞机在各个轴向的模态，否则可能会导致辨识误差大甚至辨识失败。

1.2 试飞执行

飞机空中试飞固然能够获取飞机空中飞行时的真实状态和数据，但是飞机试飞同时也伴随着高成本和一定风险。因此，在开展飞机的真实空中试飞之前，必须要利用其它手段对试飞方案、参数辨识方法和模型修正方案进行验证，常用的验证手段有：桌面仿真、工模试验和铁鸟试验。在民机设计阶段，这三者的核心都是基于风洞吹风或CFD模拟的气动数据，依托于理论知识、工程经验和假设而建立起来的模型。通过这三种方式，设计员可以对试飞方案和方法进行进一步的调整和优化，而试飞员则可以熟悉气动参数辨识试飞科目的具体操作，了解空中试飞时的具体注意事项。

1.3 数据采集与数据处理

通过飞机上安装的大气数据传感器、惯导数据传感器等可以采集得到飞机在飞行过程中实时的飞行姿态和飞行状况。然而，在实际工程应用中，这些采集的试飞数据往往不能直接作为气动参数辨识的输入。这是因为，飞机在实际飞机过程中，大气往往不是绝对的平稳大气，可能会存在紊流等环境干扰，并且传感器的微弱跳动或者传感器本身的瑕疵都会导致采集的试飞数据与我们预定的飞机飞行状态存在偏差。因此需要对试飞数据进行预处理，常用的数据处理[2]有：野值的识别、剔除与補正；数据的平滑与微分；数据的相容性检查等等。

1.4 气动参数辨识方法

气动模型修正的目的是为了获取精确的飞机气动模型。在实际应用中，飞机的气动模型的模型结构根据理论知识和工程经验常常已经可以大致确定，但模型中的气动参数往往还是未知的。因此，模型修正的核心便是，利用参数辨识方法从试飞数据中分析出气动模型框架中的未知参数。目前，气动参数辨识的方法有国内普遍采用的基于动态激励的参数寻优法和国外目前采用比较多的基于静态配平的物理解析法。

参数寻优法是将气动数据导入所建模型框架中，并利用数学算法对模型中的气动参数进行解析或搜索，以获取符合模型精度条件（准则）的气动参数。比较成熟的常用数学算法[1]有：最小二乘法、极大似然法、卡尔曼滤波算法、贝叶斯法等等。因此，动态激励法的辨识精度极大地依赖于寻优算法的选择，且辨识结果是对样本数据（试飞数据）的最优估计，因此对样本数据的容量和多样性要求较高。

物理解析法是利用经典的牛顿力学原理，针对飞机在空中飞行时的平衡状态，列写飞机平衡飞行的力学方程，通过差别化重量重心配置，对飞机的状态进行联立，并对气动模型中的气动导数依条理逐个解析。基于静态配平的物理解析气动参数辨识方法所获得的气动参数具有明确的物理意义，因此在工程应用中具有非常实用的应用价值。

1.5 仿真调参

受限于飞机的实际飞行环境和测量条件，经过物理解析或参数寻优获得的气动参数往往不能和飞机真实状态完全吻合，或者说辨识出的结果可能会存在或大或小的误差。此时，需要根据飞机的实际飞行状况或数据（如其它未应用于参数辨识的试飞数据）对辨识结果进行微调，以获得更真实的气动参数。

1.6 模型修正获得精确的气动模型

飞机的模型修正往往分阶段进行，先对飞机气动影响主量进行辨识，再考虑更多会对飞机气动产生影响的因素进行辨识，如马赫数效应、气弹效应等等。因此，在获取飞机的气动参数以后，需要对飞机气动模型进行进一步精细化修正，并通过一系列验证手段对气动模型进行不断的迭代更新。

2 总结

本文阐述了民用飞机气动模型修正的必要性，介绍了气动模型修正的一般流程，论述了试飞方案设计、试飞执行、数据采集与处理、参数辨识方法、仿真调参、模型修正过程中的注意事项等，可作为民机气动模型修正过程的指导。

【参考文献】

[1]蔡金狮.飞行器系统辨识[M].宇航出版社，1995.

[2]Klein V，Morelli E A.Aircraft System Identification：Theory And Practice[J].Landolt-B？觟rnstein-Group II Molecules and Radicals，2006，65（4）：391.