基于全局灵敏度分析的侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252016V01．37No．61827．1832ISSN1000·6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn基于全局灵敏度分析的侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响阮文斌*，刘洋，熊磊上海飞机设计研究院总体气动部，上海201210摘要：考虑飞行载荷计算中使用的气动导数存在不确定性，利用基于方差的全局灵敏度分析(GSA)方法，结合偏航机动的动力学模型，分析了侧向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响。以某型飞机为例

2、，运用该方法得到侧向气动导数的全局灵敏度排序。结果表明：侧滑角、阻尼贡献的垂尾侧向载荷及垂尾侧向总载荷受全机侧力系数对侧滑角导数的影响最大，受航向静稳定导数及方向舵操纵效能的影响次之；方向舵偏度贡献的垂尾侧向载荷只受全机侧力系数对方向舵偏度导数的影响；无尾飞机侧向载荷主要受航向静稳定导数、方向舵操纵效能及无尾飞机侧力系数对侧滑角导数的影响；偏航阻尼导数基本不影响各侧向飞行载荷。同时也验证了方法的有效性，对提高飞行载荷的计算精度有一定的指导意义。关键词：全局灵敏度分析；不确定性；气动导数；飞行载荷；方差；偏航机动中图分类号：V212．1l文献标识码：A文章编号：i

3、0006893(2016)06—1827—06飞行载荷是评定飞机在使用寿命期间结构完整性的原始数据，其合理性、精确性对保证飞机的使用安全、减轻结构重量、实现设计性能和保证经济服役寿命至关重要。作为飞行载荷设计工程师，必须找出飞机各部件最大飞行载荷，并给出飞行载荷的大小和分布，以此作为飞机结构强度的设计依据。在飞行载荷的计算过程中，很多因素直接或间接影响飞行载荷的计算精度，如结构柔性、非线性气动力特性、飞行控制律、推力矢量和飞机弹性变形等。因此，开展飞行载荷计算影响因素的研究具有重要的意义和工程价值。目前，国内外关于上述相关工作的研究有很多，主要着重于飞行载荷设计

4、方法和对适航条款的理解，如文献[1—3]研究了柔性飞机的非线性飞行载荷计算，文献[4]研究了飞机操纵系统特性对机动载荷的影响，文献[5]研究了民用飞机阵风载荷及减缓技术，而缺乏对载荷计算输入不确定性的影响研究。气动导数作为飞行载荷计算的重要输入之一，由于风洞试验[6]、工程估算[7]和数值计算等误差，以及线性化理论[81的简化，造成其存在较大随机不确定性[q]，进而使得输出载荷也具有不确定性。因此，为了提高飞行载荷计算精度，有必要研究气动导数输入不确定性对输出载荷不确定性的影响。然而，目前国内外在相关领域的研究较少，仅文献[10一11]研究了气动导数变化对飞行品

5、质的影响，且将气动导数视为非随机变量，而多数情况下气动导数不确定性具有随机分布的特点[9]，将其视为随机型变量能得到更丰富的输出分布信息。近年来，国内外相关研究者发展了一种新的收稿日期：2015．06．29；退修日期：2015—09．04；录用日期：2015—09—25；网络出版时间：2015—10—1015：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／11．1929．V20151010．1502002．html*通讯作者Tel：021—20865564E-mail：ruanwenbin@comac．CC戤用棒武I阮文斌．触洋．熊磊．基于全

6、局灵敏度分橱的倒向气动导数不确定性对侧向飞行载荷的影响[Jj．航空学报．2016．37(6)：1827-1832．RUANWB．LIUY．XlONGL．Influenceofsideaerodynamicderivativeuncertaintyonsideflightloadbasedonglobalsensitivityana／ysis[JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(6)：1827-1832航空学报灵敏度分析方法，即全局灵敏度分析(GSA)方法，该方法因从整体上分析输入变量不确定性对输出响应量的影

7、响而应用尤为广泛[1。”]，并已形成三大类：非参数方法[12。13I、基于方差的分析方法m1以及矩独立分析法[15I。其中，由于基于方差的分析方法能够直接反映输入变量对输出响应量方差(即不确定性)的贡献并且容易计算，加上方差是工程实践中最关心的统计特征量，因此该方法在许多领域已得到了广泛应用¨6。18]，并验证了其有效性。但目前该全局灵敏度分析方法在飞行载荷中的应用却几乎没有，在该领域得到的分析结果是否有效也并未得到验证。为此，本文采用基于方差的全局灵敏度分析方法，结合飞机偏航机动动力学模型，将侧向气动导数视为随机输入变量，各部件侧向飞行载荷视为输出响应量，建立

8、了侧向飞行载荷对侧向气动