專利名稱：飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空工程領(lǐng)域，具體是在飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法。該方法用于飛行模擬器中對飛行結(jié)冰狀態(tài)進行實時模擬。
2.
背景技術(shù)：
飛行器在一定的飛行高度范圍內(nèi)穿過云層時，如果遇到符合大氣中的結(jié)冰條件的區(qū)域，會在飛行器機身表面和一些部件表面上形成冰層，這種現(xiàn)象被稱作飛行結(jié)冰。大氣中的結(jié)冰條件主要是指大氣中的超冷液態(tài)水含量和超冷液態(tài)水滴的尺度。飛行器的飛行結(jié)冰首先影響飛行器的空氣動力學(xué)特性，例如會增加重量、增大阻力、破壞失速特性。此外，一些 重要的控制表面上的結(jié)冰將極大影響飛行器的操縱性。例如，飛行結(jié)冰會妨礙襟翼活動、堵塞空速管，嚴(yán)重時將引發(fā)事故和災(zāi)難。為了保障飛行器的安全飛行，在飛行器遭遇飛行結(jié)冰時，必須選取可以確保安全的飛行模式，飛行員的任務(wù)是實施飛行控制命令或按照自動模式控制飛行器。因而，提供一種在陸地上的飛行模擬器，能對高空中的飛行結(jié)冰進行合適的模擬，訓(xùn)練飛行員完成上述任務(wù)是極其重要的。這種模擬器被稱為飛行結(jié)冰模擬器。飛行結(jié)冰模擬器通過將飛行器的飛行結(jié)冰這一物理過程再現(xiàn)，以訓(xùn)練飛行員在相同情況下執(zhí)行任務(wù)的能力，以及建立對飛行結(jié)冰期間的感情和壓力的場景。具體地講，模擬器可以根據(jù)不同的大氣條件，如大氣壓力、溫度、密度、超冷液態(tài)水含量、水滴直徑的分布等數(shù)據(jù)，以及不同的飛行條件，如飛行器型號(外形)、飛行速度、攻角、馬赫數(shù)、雷諾數(shù)等參數(shù)構(gòu)成多種訓(xùn)練方案，工作時根據(jù)不同的訓(xùn)練方案模擬出飛行器的結(jié)冰狀態(tài)，如結(jié)冰位置、結(jié)冰形狀、結(jié)冰時間等信息。理想的飛行結(jié)冰模擬器是可以對飛行結(jié)冰的真實狀態(tài)進行實時模擬。這種情況只能在結(jié)冰風(fēng)洞中進行，即把飛行器模型或者真實的飛行器放在結(jié)冰風(fēng)洞中，飛行員也在其中。通過結(jié)冰風(fēng)洞的運行，模擬大氣的結(jié)冰條件，飛行器外部產(chǎn)生飛行結(jié)冰，內(nèi)部的飛行員進行相應(yīng)的控制操作訓(xùn)練。這種訓(xùn)練方法需要完全1:1的飛行器模型，結(jié)冰風(fēng)洞無法滿足如此巨大的制造成本。所以，飛行結(jié)冰模擬器和其他大多數(shù)模擬器一樣，都是將外界的物理過程用數(shù)學(xué)模型表達出來，再將數(shù)學(xué)模型中的算法和流程用集成電路體現(xiàn)。模擬器工作時，根據(jù)要模擬的條件給出數(shù)學(xué)模型的輸入信號，集成電路依靠數(shù)學(xué)模型的運算得出模擬結(jié)果，并輸出信號。輸出的信號可以是數(shù)字信號、模擬信號、機械信號等形式。為了在模擬器中用數(shù)學(xué)模型真實再現(xiàn)真實物理過程，一個重要的指標(biāo)是數(shù)學(xué)模型用于模擬真實物理過程的運算時間。飛行結(jié)冰模擬器中的有關(guān)飛行結(jié)冰模擬需要進行實時模擬，即飛行器的飛行結(jié)冰達到某種狀態(tài)所需的時間和模擬器模擬這一過程所需要的時間具有相同的時間尺度，在同一個數(shù)量級。飛行器飛行結(jié)冰是一個非常復(fù)雜的物理過程，精確描述它的數(shù)學(xué)模型也很復(fù)雜。飛行器的飛行結(jié)冰的數(shù)學(xué)模型的建立和求解是屬于計算流體力學(xué)(CFD ComputationalFluid Dynamics)在相關(guān)學(xué)科中的擴展,是高端的計算機的數(shù)值模擬技術(shù)。一個飛行結(jié)冰過程完整的數(shù)學(xué)模型包括氣體連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍流模型方程、水滴運動方程、水膜運動和冰層厚度方程等多個偏微分方程組構(gòu)成的一個模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)的求解運算包括生成計算網(wǎng)格、空間離散、時間離散等過程。統(tǒng)計表明，一個二維機翼的飛行結(jié)冰的數(shù)值模擬在8個CPU的計算機上運算需要3小時來完成實際2分鐘內(nèi)的飛行結(jié)冰的物理過程。這樣的運算時間遠遠超過同樣狀態(tài)下的真實的結(jié)冰的時間，不能做到實時模擬，因而，這種數(shù)學(xué)模型無法在模擬器中使用。一個解決方法是將飛行器可能遇到的所有的結(jié)冰狀態(tài)通過上述模型系統(tǒng)計算出來或者用實驗的方法收集起來，儲存在模擬器中，作為訓(xùn)練方案的數(shù)據(jù)庫，使用時按照飛行條件、大氣條件或者其它標(biāo)準(zhǔn)直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用。所有可能的結(jié)冰狀態(tài)意味著需要對法規(guī)規(guī)定的飛行結(jié)冰包線內(nèi)的所有飛行結(jié)冰條件進行排列組合計算，這將是一個十分浩繁的工程。這種方法仍然面臨巨大成本的問題。—個實際的解決方法是將前面提到的描述飛行結(jié)冰的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)進行降階處理，形成飛行器飛行結(jié)冰的降階模型。所謂降階，這里是指為提高運算速度，降低計算成本，在保持原來的模擬系統(tǒng)的主要特征的前提下，將原系統(tǒng)做一定的簡化處理，降低原系統(tǒng)的復(fù)雜性，得到新的簡化的模擬系統(tǒng)，并獲得其近似解的方法。所獲得的簡化的模擬系統(tǒng)被稱為原系統(tǒng)的降階模型。同樣輸入大氣條件和飛行條件，降階模型不需要過多的延時，甚至可·以實現(xiàn)瞬時輸出?？傊w行結(jié)冰模擬器中只有使用飛行結(jié)冰降階模型，才能使得模擬器能在與真實條件下達到相同結(jié)冰狀態(tài)所用的時間尺度內(nèi)輸出飛行結(jié)冰的模擬結(jié)果?！悘脑到y(tǒng)獲取降階模型的方法是特征正交分解法(POD Proper OrthogonalDecomposition)。其思路是從原系統(tǒng)中分解出一系列基函數(shù)，它們捕捉了原系統(tǒng)的大部分能量，代表了原系統(tǒng)的決定性行為。這些基函數(shù)構(gòu)成了 POD特征函數(shù)空間，原系統(tǒng)向其投影，產(chǎn)生了原系統(tǒng)的降階模型。降階模型的求解一般比原系統(tǒng)小兩個數(shù)量級以上。按照這個思路，在飛行模擬器中可以使用在某些大氣條件下、某些飛行條件下，用計算流力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)求解原飛行結(jié)冰模型系統(tǒng)，獲得飛行結(jié)冰狀態(tài)的數(shù)值解，或者利用一些實驗結(jié)果，一起作為原模擬系統(tǒng)的模擬結(jié)果的代表，作為一個樣本空間。從這個樣本空間中可以提取原飛行結(jié)冰模擬系統(tǒng)的特征向量空間。原系統(tǒng)向其投影，即可獲得原系統(tǒng)的降階模型。
3.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出了飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法。這個降階模型專門應(yīng)用于飛行模擬器中，用來完成飛行器飛行結(jié)冰的實時模擬的功能。如前所述，模擬器可以根據(jù)不同的大氣壓力、溫度、密度、超冷液態(tài)水含量、水滴直徑的分布等數(shù)據(jù)，以及飛行器型號(外形)、飛行速度、攻角、馬赫數(shù)、雷諾數(shù)等參數(shù)構(gòu)成多種訓(xùn)練方案，工作時根據(jù)不同的訓(xùn)練方案，利用已經(jīng)建立好的飛行結(jié)冰降階模型，模擬出飛行器的結(jié)冰位置、結(jié)冰形狀、結(jié)冰時間等信息。圖I是本發(fā)明提出的飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法的流程圖。飛行結(jié)冰的降階模型的生成過程的具體內(nèi)容如下其生成方法除了采用一些有限的空中實驗和陸地上的冰風(fēng)洞實驗結(jié)果外，主要依靠對各種飛行參數(shù)進行排列組合后，由計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)生成。樣本空間以某一時刻飛行器表面的各個坐標(biāo)點上的數(shù)據(jù)組成的向量表不O多個樣本形成多個向量。所以，樣本空間是一個變量構(gòu)成的向量的集合，其形式是，
權(quán)利要求
1.一種飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)選擇樣本空間； (2)生成樣本空間的自相關(guān)系數(shù)矩陣； (3)生成樣本空間的特征向量； (4)生成樣本空間的一組正交基； (5)生成樣本空間的特征系數(shù)矩陣；
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法，其中所述的樣本空間是ns個飛行器表面的各個坐標(biāo)點上的數(shù)據(jù)組成的N維的向量集合，其形式是 i = l,2, ···, ns ；j = 1,2, ···, N,其中ns是樣本的個數(shù)；N是坐標(biāo)點數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法，其中所述的樣本空間的一組正交基的表現(xiàn)形式是ns個N維正交基向量的集合，其生成方法的表現(xiàn)形式是其中0丨是樣本空間的特征向量；i = 1，2，···, ns ；j = 1,2, ...,N,表現(xiàn)形式中的I、ns、N的含義已由權(quán)利要求2給出。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法，其中所述的樣本空間的特征系數(shù)矩陣是一個ns行、ns列的方陣，其生成方法的表現(xiàn)形式是Κ*}=Σ(^ -uj) ，其中，k=l，2，…，ns;i = l，2，…，ns，表現(xiàn)形式中的j | ns、N的含義已由權(quán)利要求2和3給出。
全文摘要
本發(fā)明給出了飛行模擬器中建立飛行結(jié)冰降階模型的方法。這個降階模型專門應(yīng)用于飛行模擬器中，用來完成飛行器飛行結(jié)冰的實時模擬的功能。該方法主要包括選擇樣本空間、生成樣本空間的自相關(guān)系數(shù)矩陣、生成樣本空間的特征向量、生成樣本空間的一組正交基、生成樣本空間的特征系數(shù)矩陣等步驟。
文檔編號G06F17/50GK102890734SQ201210350078
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者路明 申請人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開發(fā)有限公司