飞机地面变速滑跑转弯分岔特性及其方向控制研究

In order to solve the problem of runway excursions resulting from the aircraft directional instability during the turning process, it is proposed to adopt the bifurcation theory and the continuation method to conduct the research on the aircraft ground steering bifurcation characteristics and the design of the aircraft landing gear and the control systems. Firstly, the aircraft nonlinear ground taxiing dynamic model is built. And the D'Alembert principle is used when the aircraft is taxiing at varying speeds. The non-autonomous system is then converted to an equivalent constrained autonomous system with an inertia force. The influences of the design and the manoeuvre parameters on the aircraft steering bifurcation characteristics are carried out. The system stable area and the bifurcation points are found out under different parameter combinations. Based on the bifurcation theory, the aircraft ground turning instability mechanism is revealed. Secondly, the bifurcation control method is adopted to analyze the effects of the control parameters on the bifurcation performance and the system stability. Then an optimization is conducted aiming to improve the system global stability, which can also provide guidance for the control system design. At last, the semi-physical simulation experiments are carried out to verify the theoretical results and optimize the analytical process. This research will help to build an analytical method to study the aircraft ground steering stability and directional control using bifurcation theory systematically, which can provide technical support for the domestic aircraft landing gear and directional control systems design.

针对飞机地面转弯方向失稳而冲出跑道的问题，提出应用分岔分析方法及数值延拓法开展飞机转弯滑跑分岔特性研究并指导飞机起落架及控制系统的设计。首先建立飞机滑跑转弯非线性动力学分岔分析模型，通过达朗贝尔原理将处于加减速滑跑状态的飞机地面滑跑非自治系统转化为引入惯性力后的等效自治约束系统，分别研究设计参数与操纵参数对飞机匀速及变速转弯分岔特性的影响规律，找出不同参数组合下的系统稳定区域及失稳分岔点，基于分岔理论揭示飞机在转弯时发生失稳现象的本质与机理。进而采用分岔控制方法，分析控制参数对分岔点位置以及稳定区域的影响，从参数平面入手对各参数组合进行优化设计，最大限度地提高系统全局稳定性，并指导方向控制系统的设计。最后，通过半物理仿真试验方法验证理论结果并完善分析过程。本项目的研究可以系统地建立一套基于分岔理论的飞机滑跑转弯方向稳定性与方向控制分析方法，为我国飞机起落架以及方向控制系统设计提供技术支持。

有超过60%的飞行事故发生在飞机起降滑跑阶段。飞机滑跑转弯时受到舵面力、气动力、轮胎力等多种非线性因素的影响，易发生转弯方向失稳甚至冲出跑道等严重安全事故。. 本项目基于非线性分岔理论，建立全机滑跑非线性动力学模型，通过数值延拓法快速准确地分析了飞机设计参数和操纵参数对系统全局方向稳定性的影响，得到了单参数及双参数分岔特性图，揭示了转弯失稳机理是飞机受到的侧向力合力不足以提供支持其进行稳定转弯运动的向心力。进而建立了飞机非对称滑跑转弯动力学模型，研究了机体结构、发动机推力和轮胎垂向刚度非对称对滑跑转弯系统稳定性和分岔特性的影响。. 针对非自治飞机变速滑跑转弯系统，通过达朗贝尔原理引入惯性力，将非自治系统转化为等效自治系统，分析了滑跑加速度对转弯方向稳定性的影响，并引入前轮转角作为附加参数，揭示了双参数组合下滑跑转弯分岔特性。. 飞机滑跑方向控制系统方面，首先基于分岔控制理论，设计前轮转弯反馈控制系统，与滑跑动力学模型联合构成飞机滑跑转弯综合分岔分析模型，分析控制参数对分岔点位置及稳定区域的影响，通过控制参数的设计最大限度地提高了系统的全局稳定性。进而采用H-J可达性分方法求得飞机滑跑安全边界，通过优化设计使得滑跑安全性最大提升了12.84%。基于边界保护功能和路径跟踪法设计了滑跑方向纠偏控制律，并采用非线性控制分配方法设计了包含前轮转弯、差动刹车和方向舵的综合纠偏控制系统，通过多工况仿真分析，验证了控制系统在全速域下的高效方向控制能力。. 最后，搭建了飞机滑跑半物理仿真试验台，设计了包含转弯机构的前起落架样机，在DSP控制板中编写了方向控制律代码，在实时仿真机中搭建全机滑跑动力学模型，通过仿真机、DSP控制硬件和传感器间的数据交互实现飞机滑跑转弯分岔特性和方向控制系统试验研究，验证了所设计的方向控制系统在地面滑跑阶段对于提高飞机滑跑方向稳定性的有效性。. 本项目的研究系统地建立了一套基于分岔理论的飞机滑跑转弯方向稳定性与方向控制分析方法，为我国飞机起落架以及方向控制系统设计提供技术支持。