能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)及 ...的制作方法
【專利摘要】描述了一種由能懸停航空器（3）的旋翼（2）的尾流在航空器（3）本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)（1），所述系統(tǒng)（1）包括：用于飛行員的駕駛艙座椅（10）；航空器（3）的模擬控制裝置（11），能夠從飛行員接收模擬指令以模擬航空器（3）的飛行狀態(tài)；模擬裝置（13），能夠產(chǎn)生飛行狀態(tài)的模擬表示；以及處理單元（14），被配置成接收作為輸入的與經(jīng)由控制裝置（11）給出的指令相關(guān)的第一信號(hào)并且被配置成產(chǎn)生和輸出與模擬空氣動(dòng)力載荷相關(guān)的用于模擬裝置（13）的第二控制信號(hào)。處理單元（14）循環(huán)地產(chǎn)生具有半徑（r）的渦環(huán)（30）、使多個(gè)控制點(diǎn)（A、B、C和D）與渦環(huán)（30）關(guān)聯(lián)、計(jì)算在控制點(diǎn)（A、B、C和D）上引發(fā)的速度、移動(dòng)和更新渦環(huán)（30）、以及基于由渦環(huán)（30）在控制點(diǎn)（A、B、C和D）上引發(fā)的速度產(chǎn)生第二信號(hào)。
【專利說(shuō)明】能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能懸停(hover-capable)航空器(特別是直升飛機(jī)或者推力換向式飛機(jī))的旋翼尾流(rotor-wake)在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。
[0002]本發(fā)明還涉及由處理單元支持以實(shí)時(shí)模擬能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]在航空學(xué)領(lǐng)域中，飛行模擬系統(tǒng)是已知的，其主要包括:
[0004]-用于將被訓(xùn)練的飛行員的駕駛艙座椅；
[0005]-多個(gè)控制裝置，該多個(gè)控制裝置可被飛行員操作以做出機(jī)動(dòng)動(dòng)作(manoeuvre,特技飛行)和設(shè)定模擬飛行狀態(tài)；
[0006]-圖形界面，例如顯示屏，可由飛行員觀察并且能夠例如通過(guò)改變模擬視場(chǎng)并且通過(guò)模擬飛行儀表上的讀數(shù)而為飛行員提供飛行的模擬視覺表示；以及
[0007]-多個(gè)致動(dòng)器，該多個(gè)致動(dòng)器能夠在駕駛艙座椅上施加模擬空氣動(dòng)力載荷，這些模擬空氣動(dòng)力載荷由飛行員通過(guò)控制裝置模擬的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)確定。
[0008]模擬系統(tǒng)還包括處理單元，該處理單元被配置成:
[0009]-接收作為輸入的與機(jī)動(dòng)動(dòng)作和模擬飛行狀態(tài)相關(guān)的指令；
[0010]-計(jì)算由上述指令導(dǎo)致的模擬空氣動(dòng)力載荷的值；以及
[0011]-產(chǎn)生用于圖形界面和致動(dòng)器的一系列控制信號(hào)，以便更新模擬飛行的視覺表示和模擬空氣動(dòng)力載荷兩者。
[0012]而且已知的是，旋翼尾流與航空器的相互作用影響旋翼飛機(jī)、機(jī)身和空氣動(dòng)力控制表面上的局部速度，產(chǎn)生在飛行的各個(gè)階段期間航空器承受的空氣動(dòng)力載荷的變化。
[0013]為了模擬旋翼尾流與航空器的相互作用，已知的是:
[0014]-實(shí)驗(yàn)性地測(cè)量與給定的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)相關(guān)的航空器上的空氣動(dòng)力載荷；以及
[0015]-在處理單元上存儲(chǔ)這些與給定的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)相關(guān)的空氣動(dòng)力載荷。
[0016]根據(jù)這個(gè)技術(shù)，處理單元控制圖形界面和致動(dòng)器，使得視覺表示和模擬空氣動(dòng)力載荷兩者都類似于存儲(chǔ)在單元上的用于與由飛行員通過(guò)控制裝置模擬的那些近似相同的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)的那些。
[0017]上述技術(shù)是特別昂貴的，因?yàn)樗枰獔?zhí)行在空氣動(dòng)力飛行載荷的模擬中被不可避免地近似的許多飛行試驗(yàn)，由于視覺表示和模擬空氣動(dòng)力載荷兩者都與由飛行員通過(guò)控制裝置模擬的那些僅大概類似的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)相關(guān)。
[0018]根據(jù)另一個(gè)技術(shù)，處理單元被配置成計(jì)算旋翼的尾流的情況的數(shù)學(xué)模型。處理單元基于由飛行員模擬的指令和該處理單元的存儲(chǔ)數(shù)學(xué)模型在駕駛艙座椅上產(chǎn)生模擬空氣動(dòng)力載荷。
[0019]數(shù)學(xué)模型的第一實(shí)例由在文獻(xiàn)中被稱為“預(yù)定尾流”模型的模型表示。對(duì)于處理單元，這些模型計(jì)算起來(lái)是特別簡(jiǎn)單的。
[0020]通過(guò)這樣的方法，處理單元能夠用由飛行員給出的模擬指令以大致同時(shí)的方式產(chǎn)生視覺表示和/或飛行員的駕駛艙座椅上的模擬飛行載荷。
[0021]換句話說(shuō)，模擬系統(tǒng)可基本實(shí)時(shí)模擬由旋翼尾流在航空器上產(chǎn)生的飛行載荷。
[0022]但是，由于“預(yù)定尾流”模型簡(jiǎn)單的原因，模擬飛行載荷是近似的，并且因此不是非常代表真實(shí)飛行載荷。結(jié)果就是模擬器的模擬能力減弱。
[0023]雖然旋翼尾流的非常精確的數(shù)學(xué)模型是已知的(例如從計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中)，但是它們是極其復(fù)雜的并且因此在處理單元上將需要大量的處理時(shí)間。
[0024]因此，這些非常精確的數(shù)學(xué)模型的使用將不會(huì)有效地允許如在飛行模擬器中所要求的那樣實(shí)時(shí)模擬由旋翼尾流在航空器上產(chǎn)生的飛行載荷。
[0025]在本領(lǐng)域中感到需要一種用于能夠懸停的航空器的飛行模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠大致實(shí)時(shí)地并且以高精確度地產(chǎn)生與旋翼尾流和航空器的相互作用相關(guān)的模擬空氣動(dòng)力載荷。
[0026]航空器飛行模擬系統(tǒng)例如從RU2367026和GB802213中已知。
[0027]發(fā)明的公開內(nèi)容
[0028]本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)由能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其使上述需求能夠以簡(jiǎn)單且便宜的方式滿足。
[0029]上述目的通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，由此本發(fā)明涉及一種由能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，包括:
[0030]-用于飛行員的駕駛艙座椅；
[0031]-所述航空器的至少一個(gè)模擬控制裝置，該至少一個(gè)模擬控制裝置能夠從所述飛行員接收模擬指令以模擬所述航空器的飛行狀態(tài)；
[0032]-模擬裝置，該模擬裝置能夠產(chǎn)生從駕駛艙座椅可感覺到的所述飛行狀態(tài)的模擬表不;
[0033]-處理單元，該處理單元被配置成接收作為輸入的與通過(guò)所述控制裝置給出的所述指令相關(guān)的第一信號(hào)并被配置成產(chǎn)生和輸出與所述模擬空氣動(dòng)力載荷相關(guān)的用于所述模擬裝置的第二控制信號(hào)；
[0034]其特征在于，所述處理單元還被配置成執(zhí)行循環(huán)，該循環(huán)包括步驟:
[0035]-以給定的周期并且在模擬流場(chǎng)中產(chǎn)生渦環(huán)(vortexring)，該渦環(huán)具有與所述旋翼的圓盤周長(zhǎng)的值以及與速度環(huán)量相關(guān)的半徑，該速度環(huán)量與由飛行員通過(guò)所述控制裝置設(shè)定的所述旋翼的推力成比例；
[0036]-使多個(gè)控制點(diǎn)與所述渦環(huán)關(guān)聯(lián)；
[0037]-計(jì)算由渦環(huán)和/或由存在于所述模擬流場(chǎng)中的至少一些其他渦環(huán)在所述控制點(diǎn)上引發(fā)的速度以及空氣相對(duì)于所述航空器的漸近速度；
[0038]-根據(jù)在所述控制點(diǎn)上引發(fā)的所述速度移動(dòng)所述渦環(huán)；
[0039]-在所述移動(dòng)步驟之后更新所述渦環(huán)；
[0040]-基于在存在于模擬流場(chǎng)中的所述渦環(huán)的所述控制點(diǎn)上引發(fā)的速度以及所述漸近速度計(jì)算在所述航空器的至少一個(gè)興趣點(diǎn)上引發(fā)的速度；以及
[0041]-基于在航空器的所述興趣點(diǎn)上引發(fā)的所述速度產(chǎn)生所述第二控制信號(hào)。
[0042]本發(fā)明還涉及一種由處理單元支持以實(shí)時(shí)模擬能懸停航空器的旋翼尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的方法，該方法包括步驟:
[0043]-模擬所述航空器的飛行狀態(tài)；
[0044]-通過(guò)所述處理單元產(chǎn)生從用于飛行員的駕駛艙座椅可感覺到的所述飛行狀態(tài)的模擬飛行表示；
[0045]其特征在于，該方法包括配置所述處理單元以執(zhí)行循環(huán)的步驟，該循環(huán)包括步驟:
[0046]-在模擬流場(chǎng)中并且以一定的周期產(chǎn)生渦環(huán)，該渦環(huán)具有與所述旋翼的圓盤半徑以及與速度環(huán)量相關(guān)的半徑，該速度環(huán)量與由飛行員通過(guò)所述控制裝置設(shè)定的所述旋翼的推力成比例；
[0047]-使多個(gè)控制點(diǎn)與所述渦環(huán)關(guān)聯(lián)；
[0048]-計(jì)算由渦環(huán)和/或由存在于所述模擬流場(chǎng)中的至少一些其他渦環(huán)在所述控制點(diǎn)上引發(fā)的速度以及空氣相對(duì)于所述航空器的漸近速度；
[0049]-根據(jù)在所述控制點(diǎn)上引發(fā)的所述速度移動(dòng)所述渦環(huán)；
[0050]-在所述移動(dòng)步驟之后更新所述渦環(huán)；
[0051]-基于在存在于所述模擬流場(chǎng)中的所述渦環(huán)的所述控制點(diǎn)上引發(fā)的速度以及所述漸近速度計(jì)算在所述航空器的至少一個(gè)興趣點(diǎn)上引發(fā)的速度；以及
[0052]-基于在所述航空器上引發(fā)的所述速度產(chǎn)生所述模擬飛行表示。
[0053]附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0054]為了更好地理解本發(fā)明，優(yōu)選的實(shí)施例僅通過(guò)非限制性實(shí)例的方式并參考附圖在下文中描述，在附圖中:
[0055]-圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明制造的用于能夠懸停的航空器的飛行模擬系統(tǒng)；
[0056]-圖2示意性地示出了航空器；
[0057]-圖3為渦環(huán)的幾何表示；
[0058]-圖4示出了圖3的渦環(huán)和相關(guān)的控制點(diǎn)；
[0059]-圖5示出了圖3和圖4的渦環(huán)的參考系；
[0060]-圖6示出了更新圖3至圖5的渦環(huán)的步驟；
[0061]-圖7示出了關(guān)于地面效應(yīng)(IGE)懸停和無(wú)地面效應(yīng)(OGE)懸停的狀態(tài)、對(duì)于不同的模擬飛行狀況、時(shí)間的倒數(shù)與模擬中的渦環(huán)的數(shù)量上的變化的曲線，該時(shí)間的倒數(shù)被根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)使用以模擬旋翼尾流與航空器的相互作用；以及
[0062]-圖8示意性地示出了被根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)使用以模擬地面效應(yīng)中的飛行狀態(tài)的模擬方案。
[0063]用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式
[0064]參照?qǐng)D1，參考標(biāo)號(hào)I表示由能懸停航空器的旋翼2的尾流在航空器本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。
[0065]模擬系統(tǒng)I特別地是飛行員訓(xùn)練系統(tǒng)。[0066]特別地，航空器能夠懸停并且可為直升飛機(jī)或者推力換向式飛機(jī)。
[0067]在圖2中示出的情況下，航空器是直升飛機(jī)3并且主要包括機(jī)身4、從機(jī)身4的頂部伸出的旋翼2以及例如并以非限制性的方式由尾部旋翼6代表的多個(gè)控制表面5。
[0068]系統(tǒng)I主要包括:
[0069]-用于將被訓(xùn)練的飛行員的駕駛艙座椅10；
[0070]-多個(gè)模擬控制裝置11(諸如例如操縱桿或者控制桿)，其可被飛行員操作以給出代表機(jī)動(dòng)動(dòng)作和模擬飛行狀態(tài)的指令；
[0071]-圖形界面12(例如顯示屏)，對(duì)于飛行員是可見的并且能夠?yàn)轱w行員提供模擬飛行的視覺表示；以及
[0072]-多個(gè)模擬裝置13，該多個(gè)模擬裝置能夠產(chǎn)生可從駕駛艙座椅10感覺到的飛行的模擬表不。
[0073]更具體地，模擬裝置13包括:
[0074]-多個(gè)致動(dòng)器15，該多個(gè)致動(dòng)器能夠在駕駛艙座椅10中施加模擬空氣動(dòng)力載荷，這些載荷由飛行員通過(guò)控制裝置11模擬的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)確定；以及
[0075]-顯示裝置16，其能夠在圖形界面12上顯示飛行的模擬視覺表示。這個(gè)模擬視覺表示由飛行員通過(guò)控制裝置11模擬的機(jī)動(dòng)動(dòng)作和飛行狀態(tài)確定。
[0076]特別地，模擬圖形表示既作為飛行員的視場(chǎng)的模擬又作為提供到顯示在圖形界面12上的相應(yīng)飛行儀表的一系列模擬飛行讀數(shù)而獲得。
[0077]具體地，處理單元14被配置成接收由飛行員以輸入給予控制裝置11的指令以及產(chǎn)生和輸出與將與在駕駛艙座椅10上產(chǎn)生的模擬空氣動(dòng)力載荷相關(guān)的用于模擬裝置13的控制信號(hào)。
[0078]處理單元14包括存儲(chǔ)單元17，關(guān)于旋翼2的重要數(shù)據(jù)(例如像旋翼2的幾何特性)和關(guān)于直升飛機(jī)3的重要數(shù)據(jù)(例如像直升飛機(jī)3的控制表面5的升力和阻力系數(shù))存儲(chǔ)在該存儲(chǔ)單元中。
[0079]處理單元14被配置成實(shí)時(shí)模擬由旋翼2的尾流在直升飛機(jī)3上以及在流場(chǎng)中的另外的興趣點(diǎn)上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷。
[0080]為了那個(gè)目的，處理單元14被配置成將旋翼2的尾流實(shí)時(shí)地模擬為多個(gè)環(huán)形旋渦奇點(diǎn)(下文中在本描述中被稱為渦環(huán)30)。由此，處理單元14利用了對(duì)于由渦環(huán)30引發(fā)的速度場(chǎng)已知精確分析解法的事實(shí)。
[0081]有利地，處理單元14被配置成循環(huán)地:
[0082]-以給定的周期Λτ并且在模擬流場(chǎng)中產(chǎn)生渦環(huán)30，該渦環(huán)具有與旋翼2的圓盤周長(zhǎng)的值以及速度環(huán)量相關(guān)的半徑r，該速度環(huán)量與由飛行員通過(guò)控制裝置11設(shè)定的旋翼2的推力T成比例；
[0083]-使多個(gè)控制點(diǎn)A、B、C和D與渦環(huán)30關(guān)聯(lián)；
[0084]-計(jì)算由渦環(huán)30和/或由存在于所述模擬流場(chǎng)中的至少一些其他渦環(huán)30在所述控制點(diǎn)上引發(fā)的速度以及空氣相對(duì)于直升飛機(jī)3的漸近速度Vasin ；
[0085]-根據(jù)在所述控制點(diǎn)A、B、C和D上引發(fā)的所述速度移動(dòng)渦環(huán)30；
[0086]-在所述移動(dòng)步驟之后更新渦環(huán)30；
[0087]-基于在存在于流場(chǎng)中的渦環(huán)30的控制點(diǎn)A、B、C和D上引發(fā)的速度和漸近速度Vasin計(jì)算在一些興趣點(diǎn)(例如，直升飛機(jī)3的表面5)上引發(fā)的速度；以及
[0088]-基于在直升飛機(jī)3的表面5上引發(fā)的速度產(chǎn)生用于模擬裝置13的控制信號(hào)。
[0089]處理單元14還被配置成在給定的時(shí)間間隔已到之后從流場(chǎng)中消除渦環(huán)30。
[0090]換句話說(shuō)，處理單元14通過(guò)在旋翼2的圓盤的模擬流場(chǎng)中釋放一系列渦環(huán)30并且使每個(gè)渦環(huán)30在模擬流場(chǎng)中自由移動(dòng)(僅僅受漸近速度Vasint和在較早時(shí)間釋放的其他渦環(huán)30影響)而模擬旋翼2的尾流。
[0091]特別地，術(shù)語(yǔ)漸近速度Vasint旨在作為在與旋翼2的尾流相距足夠大的距離處空氣相對(duì)于直升飛機(jī)3的表觀速度,這樣使得空氣可被認(rèn)為是未受尾流干擾的。
[0092]優(yōu)選地，處理單元14被配置成基于存在于模擬流場(chǎng)中的所有其他渦環(huán)30和/或風(fēng)和/或漸近速度Vasint的效應(yīng)計(jì)算每個(gè)渦流段30的控制點(diǎn)A、B、C和D的速度。
[0093]更具體地，處理單元14被配置成在渦環(huán)30的移動(dòng)步驟的期間保持環(huán)量gamma的值恒定。
[0094]處理單元14還被配置成使每個(gè)渦環(huán)30在它的移動(dòng)期間保持它的圓形形狀(圖6)。
[0095]處理單元14被配置以執(zhí)行的工作循環(huán)在下文中描述，從渦環(huán)30在將被模擬的模擬流場(chǎng)中的釋放開始。
[0096]更具體地，模擬流場(chǎng)包括先于在研究中的渦環(huán)30產(chǎn)生并且還沒有被消除的其他渦環(huán)30、以及后于在研究中的渦環(huán)30產(chǎn)生的其他渦環(huán)30。
[0097]具體地，處理單元14被配置成在釋放的瞬間使控制點(diǎn)A、B、C和D (圖4至圖6)關(guān)聯(lián)到每個(gè)渦環(huán)30。
[0098]此外，在產(chǎn)生的瞬間，控制點(diǎn)A、B、C和D沿著與旋翼2的圓盤結(jié)合并且在旋翼2的軸線上居中的參考系的相互垂直的X和y軸(圖4)設(shè)置。參考系還包括與旋翼2的圓盤以及與X和y軸正交的z軸。
[0099]沿著X和y軸的點(diǎn)A、B、C和D的位置通過(guò)旋翼2的半徑的倍增系數(shù)(multiplication coefficient) ε r參數(shù)化,該倍增系數(shù)在0.2到0.9之間變化并且在圖示的情況下優(yōu)選地小于0.8。
[0100]四個(gè)控制點(diǎn)在與旋翼2的圓盤結(jié)合的參考系x、y、z中的位置如下:
[0101]A= (Rer ；0 ；Hhub) ；B= (O ；R ε r ；Hhub)；
[0102]C= (-R ε r ；0 ；Hhub) ；D= (0 ；-R ε r ；Hhub),
[0103]并且，為了更清楚，四個(gè)控制點(diǎn)的位置在圖4中被圖形地示出。特別地，Hhub對(duì)應(yīng)于旋翼2的轂沿著z軸的位置。
[0104]渦環(huán)30通過(guò)三條信息清楚地確定:通過(guò)中心O的位置、它的半徑r、以及最后通過(guò)三個(gè)規(guī)范化四元數(shù)(versor)(正交于環(huán)的平面并且向下定向的t3、朝向控制點(diǎn)B定向的tl以及因此朝向控制點(diǎn)C定向的t2)，以便具有右手三元組(right-handed triad)(圖5)。
[0105]在產(chǎn)生的瞬間，半徑r采用旋翼2的半徑的值R，中心將定位在旋翼2的轂的中心并且規(guī)范化四元數(shù)tl、t2、t3與軸線x、y、z重合。
[0106]此時(shí)，處理單元14被配置成:
[0107]-根據(jù)進(jìn)一步表明的關(guān)系式(I)，計(jì)算剛剛釋放的渦環(huán)30在它的控制點(diǎn)A、B、C和D上的自引發(fā)的速度；以及
[0108]-使用完全類似的過(guò)程計(jì)算也存在于模擬流場(chǎng)中的其他渦環(huán)30的在控制點(diǎn)A、B、C和D上引發(fā)的速度。
[0109]一旦已知在渦環(huán)30的每個(gè)控制點(diǎn)A、B、C和D中引發(fā)的速度，處理單元14在流場(chǎng)中移動(dòng)渦環(huán)30。
[0110]為了那個(gè)目的，處理單元14被配置成以積分步長(zhǎng)Λ t、通過(guò)每個(gè)渦環(huán)30的三個(gè)規(guī)范化四元數(shù)tl (t)、t2 (t)和t3 (t)計(jì)算中心的位置O (t)、半徑r (t)以及傾斜(圖6)。
[0111]更具體地，處理單元14基于控制點(diǎn)A、B、C和D的當(dāng)前位置P (t)以及向量V (t),根據(jù)以下公式來(lái)計(jì)算在下一個(gè)時(shí)間瞬間t+At處渦環(huán)30的點(diǎn)A、B、C和D的更新位置向量P (t+Δ t):
[0112]P (t+At)=P (t)+V (t)At；
[0113]V (t) =Vind (t) +Vasin (t),
[0114]具體地，向量V (t)等于向量Vind (t)(包括在渦環(huán)30的點(diǎn)A、B、C和D引發(fā)的速度分量和每個(gè)控制點(diǎn)A、B、C和D中的漸近速度Vasin (t)的分量Vasin (t))的總和。
[0115]換句話說(shuō)，向量P (t+At)、P (t)和V (t)具有12列，并且每個(gè)向量都包括與控制點(diǎn)A、B、C和D的位置坐標(biāo)和速度相關(guān)的四組三個(gè)標(biāo)量值。
[0116]一旦計(jì)算出控制點(diǎn)A、B、C和D的新位置P (t+At)并且在時(shí)間間隔At之后，處理單元14更新渦環(huán)30。
[0117]特別地，為了更新渦環(huán)30，處理單元14依據(jù)與渦環(huán)30結(jié)合的新參考系的中心O(七+八1:)和半徑1 (t+Λ t)以及規(guī)范化四元數(shù)tl (t+Δ t)>t2 (t+At^Pt3 (t+ Δ t)推導(dǎo)出渦環(huán)30的新位置。
[0118]特別地，在時(shí)間t+ Δ t處計(jì)算出的量涉及更新的渦環(huán)30，而在時(shí)間t處計(jì)算出的量涉及相同的移位的渦環(huán)30，但是其仍然將被更新。
[0119]特別地，處理單元14被配置成計(jì)算更新的渦環(huán)30的更新中心O (t+ Δ t)的位置作為在時(shí)間t處控制點(diǎn)A、B、C和D的位置的重心。
[0120]處理單元14還將在時(shí)間t+ Δ t處的半徑r (t+Δ t)計(jì)算為:
[0121]
【權(quán)利要求】
1.一種由能懸停航空器(3)的旋翼(2)的尾流在所述航空器(3)本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)(I)，包括: -用于飛行員的駕駛艙座椅(10)； -所述航空器(3)的至少一個(gè)模擬控制裝置(11)，所述模擬控制裝置能夠從所述飛行員接收模擬指令以模擬所述航空器(3)的飛行狀態(tài)； -模擬裝置(13)，能夠產(chǎn)生所述飛行狀態(tài)的并能從所述駕駛艙座椅(10)感覺到的模擬表不; -處理單元(14)，被配置成接收作為輸入的與經(jīng)由所述控制裝置(11)給出的所述指令相關(guān)的第一信號(hào)并且被配置成產(chǎn)生和輸出與所述模擬空氣動(dòng)力載荷相關(guān)的用于所述模擬裝置(13)的第二控制信號(hào)； 其特征在于，所述處理單元(14)還被配置成執(zhí)行循環(huán)，所述循環(huán)包括步驟: a)以給定的周期(Λτ )并且在模擬流場(chǎng)中產(chǎn)生渦環(huán)(30)，所述渦環(huán)(30)具有與所述旋翼(2)的圓盤周長(zhǎng)的值以及與速度環(huán)量0-)相關(guān)的半徑(r)，所述速度環(huán)量與由所述飛行員通過(guò)所述控制裝置(11)設(shè)定的所述旋翼(2)的推力(T)成比例； b)將多個(gè)控制點(diǎn)(A、B、C和D)關(guān)聯(lián)到所述渦環(huán)(30)； c)計(jì)算由所述渦環(huán)(30 )和/或由存在于所述模擬流場(chǎng)中的至少一些其他渦環(huán)(30)在所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的速度以及空氣相對(duì)于所述航空器(3)的漸近速度(Vasin)； d)根據(jù)在所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的所述速度移動(dòng)所述渦環(huán)(30)； e)在所述移動(dòng)步驟之后更新所述渦環(huán)(30)； f)基于在存在于所述模擬流場(chǎng)中的所述渦環(huán)(30)的所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的所述速度以及所述漸近速度(Vasin)計(jì)算在所述航空器(3)的至少一個(gè)興趣點(diǎn)(5)上引發(fā)的速度；以及 g)基于在所述航空器(3)的所述興趣點(diǎn)(5)上引發(fā)的所述速度產(chǎn)生所述第二控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)包括另外的步驟: h )在給定的時(shí)間間隔已結(jié)束之后從所述模擬流場(chǎng)中消除所述渦環(huán)(30 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元(14)被配置成在所述移動(dòng)步驟d)期間保持所述速度環(huán)量0- )恒定。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元(14)被配置成在所述移動(dòng)步驟d)期間保持所述渦環(huán)(30)的圓形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述循環(huán)的移動(dòng)所述渦環(huán)(30)的所述步驟d)包括步驟: i)計(jì)算每個(gè)所述渦環(huán)(30)的當(dāng)前控制點(diǎn)(A、B、C和D)的當(dāng)前位置向量P (t)；j)計(jì)算引發(fā)速度向量(V (t))，所述引發(fā)速度向量等于所述漸近速度的向量表示(Vasin (t))與所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)的當(dāng)前速度向量(Vind (t))的總和；以及 k)將所述當(dāng)前控制點(diǎn)(A、B、C和D)的更新位置向量(P (t+At))計(jì)算為(P (t+At))=P (t)+V (t) Λ t,其中Λ t是更新時(shí)間間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，更新所述循環(huán)的所述步驟e)包括步驟:I)計(jì)算所述渦環(huán)(30)的更新中心(O (t+Δt))，所述更新中心基于所述當(dāng)前控制點(diǎn)(八、8、(:和0)的所述更新位置向量(P (t+Δt))更新； m)計(jì)算所述渦環(huán)(30)的更新半徑(r (t+ Δ t))，所述更新半徑基于所述更新中心(O(t+ Δ t))和所述更新位置向量(P (t+ Δ t))更新；以及 η)基于所述更新中心(O (t+c t))和所述更新半徑(r (t+Δ t))重新定位被移動(dòng)的所述渦環(huán)(30)的更新控制點(diǎn)(A、B、C和D)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元(14)還被配置成: ο)將被移動(dòng)的所述渦環(huán)(30)的所述更新中心(O (t+ Δ t))計(jì)算為所述更新控制點(diǎn)((A、B、C、和D) (t+Δt))的重心；以及 P)將所述更新控制點(diǎn)((A、B、C和D) (t+ Δ t))重新定位在距離所述更新中心(O(t+At))比所述更新控制點(diǎn)(A、B、C和D)距離所述更新中心(O (t+At))的距離的平均值小的距離處。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述周期(Λτ )大于所述積分步長(zhǎng)(Λ t)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述步驟a)包括步驟:產(chǎn)生具有與所述旋翼(2)的半徑(R)相等的所述半徑(r)的所述渦環(huán)(30)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理單元(14)被配置成: q)從所述控制裝置(11)獲取表示其中所述航空器(3)處于地面效應(yīng)中的模擬飛行狀態(tài)的信號(hào)； r)產(chǎn)生相對(duì)于每個(gè)所述渦環(huán)(30)對(duì)稱并且相對(duì)于地面呈鏡像的假想渦環(huán)(30);以及s)而且基于所述假想渦環(huán)(30)的效應(yīng)計(jì)算在每個(gè)所述渦環(huán)(30)的所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的速度。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述產(chǎn)生步驟a)包括步驟:產(chǎn)生具有與所述旋翼(2)的半徑(R)相等的所述半徑(r)的所述渦環(huán)(30)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬裝置(13)包括: -致動(dòng)器裝置(15)，能夠在所述駕駛艙座椅(10)上產(chǎn)生模擬空氣動(dòng)力載荷；和/或 -顯示裝置(16)，能夠產(chǎn)生從所述駕駛艙座椅(10)能看見的模擬視覺指示。
13.一種由處理單元(14)支持以實(shí)時(shí)模擬由能懸停航空器(3)的旋翼(2)的尾流在所述航空器(3)本身上產(chǎn)生的空氣動(dòng)力載荷的效應(yīng)的方法，包括步驟: a)模擬所述航空器(3)的飛行狀態(tài)； b)通過(guò)所述處理單元(14)產(chǎn)生從用于飛行員的駕駛艙座椅(10)能感覺到的所述飛行狀態(tài)的模擬飛行表示； 其特征在于，所述方法包括將所述處理單元(14)配置成執(zhí)行循環(huán)的步驟C)，所述循環(huán)包括步驟: d)以周期(Δτ )在模擬流場(chǎng)中產(chǎn)生渦環(huán)(30)，所述渦環(huán)具有與所述旋翼(2)的圓盤的半徑(R)以及與速度環(huán)量0-)相關(guān)的半徑(r)，所述速度環(huán)量與由所述飛行員通過(guò)所述控制裝置(11)設(shè)定的所述旋翼(2)的推力(T)成比例； e)使多個(gè)控制點(diǎn)(A、B、C和D)與所述渦環(huán)(30)關(guān)聯(lián)；f)計(jì)算由所述渦環(huán)(30)和/或由存在于所述模擬流場(chǎng)中的至少一些其他渦環(huán)(30)在所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的速度以及空氣相對(duì)于所述航空器(3)的漸近速度； g)根據(jù)在所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的所述速度移動(dòng)所述渦環(huán)(30)； h)在所述移動(dòng)步驟之后更新所述渦環(huán)(30)； i)基于在存在于所述模擬流場(chǎng)中的所述渦環(huán)(30)的所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的所述速度以及所述漸近速度計(jì)算在所述航空器的至少一個(gè)興趣點(diǎn)(5)上引發(fā)的速度；以及 j) 基于在所述航空器(3)的所述興趣點(diǎn)(5)上引發(fā)的所述速度產(chǎn)生所述模擬飛行表示。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述循環(huán)包括步驟k):在給定的時(shí)間間隔已結(jié)束之后從所述模擬流場(chǎng)中消除所述渦環(huán)(30 )。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述移動(dòng)步驟g)包括步驟I):保持所述速度環(huán)量0-)恒定。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述移動(dòng)步驟g)包括步驟m):在所述移動(dòng)步驟期間保持所述渦環(huán)(30)的圓形形狀。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述循環(huán)的移動(dòng)所述渦環(huán)(30)的所述步驟g)包括步驟: η)計(jì)算每個(gè)所述渦環(huán)(30)的當(dāng)前控制點(diǎn)(Α、B、C和D)的當(dāng)前位置向量P (t)；ο)計(jì)算當(dāng)前速度向量(V (t)),所述當(dāng)前速度向量等于漸近速度向量(Vasin (t))與在來(lái)自所述流場(chǎng)的所述其他渦環(huán)(30)的所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的當(dāng)前速度向量(Vind (t))的總和； P)將所述當(dāng)前控制點(diǎn)(A、B、C和D)的更新位置向量(P (t+At))計(jì)算為(P (t+At))=P (t)+V (t) Λ t,其中Λ t是更新時(shí)間間隔。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述更新步驟h)包括步驟: q)基于所述當(dāng)前控制點(diǎn)(A、B、C和D)的所述更新位置向量(P (t+At))計(jì)算更新渦環(huán)(30)的更新中心(O (t+ Δ t))； r)基于所述更新中心(O (t+At))和所述更新位置向量(P (t+At))計(jì)算所述渦環(huán)(30)的更新半徑(r (t+Λ?));以及 s)基于所述更新中心(O (t+Λ t))和所述更新半徑(r (t+Λ t))重新定位被移動(dòng)的所述渦環(huán)(30)的更新控制點(diǎn)((A、B、C和D) (t+Λ t))。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述更新步驟h)包括步驟: t)將被移動(dòng)的所述渦環(huán)(30)的所述更新中心(O (t+ Δ t))計(jì)算為所述更新控制點(diǎn)(A、B、(^PD)的重心；以及 u)將所述更新控制點(diǎn)(A、B、C和D)重新定位在距離所述更新中心(O (t+At))比所述控制點(diǎn)距離所述更新中心(O (t+Λ t))的距離的平均值小的距離處。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟: V)從所述控制裝置(11)獲取表示處于地面效應(yīng)中的飛行狀態(tài)的信號(hào)； w)產(chǎn)生相對(duì)于每個(gè)所述渦環(huán)(30)對(duì)稱并且相對(duì)于地面呈鏡像的假想渦環(huán)(30);以及 z)而且基于所述假想渦環(huán)計(jì)算在每個(gè)所述渦環(huán)(30)的所述控制點(diǎn)(A、B、C和D)上引發(fā)的速度。
21.根據(jù)權(quán)利要求13至20中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生步驟a)包括步驟:產(chǎn)生具有與所述旋翼(2)的半徑(R)相等的所述半徑(r)的所述渦環(huán)(30)。
22.根據(jù)權(quán)利要求13至21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟j)包括步驟:在被所述飛行員占據(jù)的駕駛艙座椅(10)上產(chǎn)生模擬空氣動(dòng)力載荷和/或顯示從所述駕駛艙座椅(10)能看見的模擬視覺指示。
23.一種信息技術(shù)產(chǎn)品，能裝載在處理單元(14)的存儲(chǔ)器中并且當(dāng)執(zhí)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)權(quán)利要 求13至22中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。
【文檔編號(hào)】G09B9/08GK103930940SQ201280045296
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月18日
【發(fā)明者】里卡爾多·比安科·門戈蒂, 弗朗切斯科·斯科爾切萊蒂 申請(qǐng)人:奧格斯塔韋斯蘭股份公司