飞机尾流的电磁散射特性分析及仿真平台构建研究

论文摘要

飞机在空中飞行时,机翼对大气产生扰动,形成具有不稳定速度的平面波。这个平面波旋转而在飞机机翼间产生一对反向旋转的涡,从而形成飞机尾流。根据美国全国交通安全委员会（NTSB）的数据记录,1983-2000年美国境内由尾流导致的飞行事故达130次之多。因此,国际上对飞机尾流问题历来十分关注,飞机尾流的探测成为飞机飞行安全特别是机场安全的关键难题。本文以飞机航空安全为背景,研究了飞机尾流的流体动力学特性和电磁散射特性,根据合理假设将飞机尾流稳定段的数值模拟抽象为保守被动量的求解,该过程完全描述了飞机尾流稳定段的时间和空间分布特性;采用迎风差分方法,并应用非均匀网格剖分技术求解得到保守被动量的分布特性,进而求解得到了不同网格剖分区域情况下飞机尾流RCS的时间变化和频率变化特性以及RCS方向图;构建了飞机尾流仿真平台,应用OpenGL实时展示了飞机尾流演化的过程。本文的工作主要可以分为3个方面:1、在流体动力学特性建模方面,建立飞机尾流保守被动量模型,给出飞机尾流保守被动量求解的对流扩散方程,并应用一阶迎风格式求解飞机尾流的对流扩散方程,求解得到飞机尾流保守被动量的二维分布灰度图,对差分格式求解进行了稳定性分析。进而应用高阶迎风差分格式求解对流扩散方程,对不同阶数条件下的保守被动量求解结果进行了分析比较。最后针对飞机尾流保守被动量求解中用到的非均匀网格剖分技术,验证了非均匀网格剖分技术在求解保守被动量时的正确性和优越性,给出合适的非均匀网格剖分尺度。2、在电磁散射特性分析方面,推导得到飞机尾流RCS模型,给出飞机尾流RCS与飞机尾流保守被动量的关系。进而求解得到C5-A飞机尾流RCS的时变特性、频变特性以及RCS方向图,从不同角度分析了飞机尾流RCS特性。最后给出飞机尾流的多普勒谱,验证了飞机尾流多普勒谱的正确性。3、在飞机尾流仿真平台构建方面,详细给出飞机尾流仿真平台的系统构成及仿真流程,根据流体动力学特性建模和电磁散射特性分析的结果构建了飞机尾流的电磁散射特性模块,并应用OpenGL构建飞机尾流的三维视景仿真平台,形象的展示了飞机尾流运动的演化过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 尾流流体动力学特性和电磁散射特性
• 1.2.2 尾流雷达探测及其应用
• 1.3 计算电磁学简介
• 1.3.1 电磁场数值计算方法简介
• 1.3.2 电磁场的时域有限差分法的发展和应用
• 1.4 论文的主要内容
• 第二章 飞机尾流的流体动力学特性建模
• 2.1 飞机尾流的产生和发展
• 2.2 飞机尾流保守被动量模型
• 2.3 时域有限差分法基本原理
• 2.3.1 微商的差商近似
• 2.3.2 Yee 氏网格
• 2.4 飞机尾流保守被动量的一阶迎风格式求解
• 2.4.1 对流扩散方程的一阶迎风差分格式
• 2.4.2 数值稳定性分析
• 2.4.3 周期边界条件
• 2.4.4 飞机尾流微结构分布特征
• 2.4.4.1 飞机尾流特征描述
• 2.4.4.2 飞机尾流微结构的二维态势分布分析
• 2.5 飞机尾流保守被动量的高阶迎风格式求解
• 2.5.1 二阶迎风差分格式
• 2.5.2 四阶迎风差分格式
• 2.5.3 不同阶数条件下求解结果的对比与分析
• 2.6 非均匀网格剖分技术
• 2.7 本章小结
• 第三章 飞机尾流的电磁散射特性分析
• 3.1 飞机尾流RCS 模型
• 3.2 飞机尾流RCS 特性分析
• 3.2.1 飞机尾流RCS 的时变特性
• 3.2.2 飞机尾流RCS 的频变特性
• 3.2.3 飞机尾流RCS 方向图
• 3.3 飞机尾流多普勒特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 飞机尾流仿真平台构建研究
• 4.1 OpenGL 和粒子系统简介
• 4.1.1 OpenGL 图形程序接口简介
• 4.1.2 粒子系统简介
• 4.2 系统构成及仿真流程
• 4.2.1 参数设置模块
• 4.2.2 尾流流体动力学特性和电磁散射特性模块
• 4.2.2.1 飞机尾流保守被动量模型
• 4.2.2.2 飞机尾流速度模型
• 4.2.2.3 飞机尾流RCS 模型
• 4.2.3 三维视景仿真模块
• 4.2.3.1 飞机运动模型
• 4.2.3.2 尾流粒子模型
• 4.2.3.3 三维地物模型
• 4.3 仿真平台结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 工作总结
• 5.2 本文创新点
• 5.3 后续研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果