● 摘要
虽然航空技术在不断发展，但自然环境仍然是导致飞行事故的重要因素。因此本文重点研究大气环境对飞机的影响，首先深入分析了大气环境中的风场模拟和飞机的六自由度、非质点模型的建模理论，通过对风场中飞机的运动仿真，阐明了风场对飞机运动的影响机理，并以风切变危害因子作为影响程度的衡量。其次针对非线性气动模型，采用反馈线性化理论设计飞机操纵面的控制律，保证其沿着预定航线飞行。
考虑对飞行器运动影响较大的大气现象，本文主要研究了三种典型风场：基于涡环原理的微下冲气流模拟、基于势流理论的过山气流模拟和基于时频分析的大气紊流模拟。采用基于流体力学的建模方法与数值模拟相比较，虽然模拟的数值精确性略显不足，但是计算量很小，可以进行实时仿真。模拟微下冲气流时，考虑到单一涡环的流场过于简单，难以模拟复杂大气运动，因此采用多涡环进行叠加法；在模拟三维过山气流时，利用粒子群算法搜索其最优模型参数，并拓展了模拟的山体形状；对于大气紊流，采用双随机最小化方法优化了随机白噪声序列，使得生成的紊流序列具有更符合实际的统计特性。
研究风场对飞机动力学特性的影响时，根据飞行器的非质点模型，研究了风梯度对飞机旋转效应的改变，并给出具体的计算和建模方法。根据飞机动力学方程，建立了基于地速和基于空速的两个模型，通过对照二者的主要状态变量的变化，阐述了风场对飞机运动特性的影响机理。然后，基于能量观点，研究了风场对飞机影响的危害程度——风切变危害因子。
研究风场中飞机的控制问题，本文基于逆系统理论以及非线性动态逆方法，并根据飞机不同状态变量对操纵的响应快慢，分层次设计控制律，使被控对象快速准确的达到控制目标。对于紊流引起的乘坐品质问题，设计简单的阵风减缓控制，有效改善了紊流中乘坐舒适性。