CN101283319A - 在飞行器上减弱垂直湍流的影响的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种设备(1)，包括：装置(4)，利用风的垂直分量自动地确定与垂直湍流有关的激烈度；以及装置(5)，利用所述风的垂直分量为可控构件(2)自动地计算控制指令，可控构件能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在飞行器上减弱这个飞行器在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流的影响的方法和设备。
背景技术
已知，在飞行过程中，与垂直风暴有关的猛烈湍流能在飞行器层面上造成：
-垂直负载系数的显著变化，其能够对飞行器的乘客造成伤害；
-飞行器高度的显著摆动，从而增大与另一飞行器碰撞的危险；以及
-机翼上的提升浪涌，其加重了机翼负载限度的负担。
这些猛烈的湍流可能出现在晴空并依然是无法预见的。通常，这些局部现象出乎飞行器的机组人员和机载导航系统的意料，机组人员和导航系统没有时间进行适当的操作以减弱这些现象在飞行器层面上产生的影响。
应当注意，对于运输机来说，出现负的垂直负载系数对于没有牢固系紧安全带的乘客而言是非常危险的。这些乘客实际上可能会被抛到天花板上而且有严重受伤的危险。
可能的垂直湍流廓线的多样性加重了前述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于弥补上述缺点。本发明涉及一种方法，使得能够以特别有效的方式在飞行器上，特别是在运输机上，减弱所述飞行器在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流的影响。
为此，根据本发明，所述方法的值得注意之处在于，在飞行过程中以自动和重复的方式实施以下一系列连续的步骤：
a)在所述飞行器的当前位置确定飞行器外部的风的垂直分量；
b)利用风的这个垂直分量，在所述当前位置确定与飞行器外部的垂直湍流相关的激烈度；
c)利用所述风的垂直分量，为至少一个可控活动构件计算至少一个控制指令或控制等级(control order)，可控活动构件能够对飞行器的提升起作用，所述控制指令能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化；和
d)执行检查以验证是否实现了至少取决于所述激烈度的启动条件；以及
e)如果实现了所述启动条件，那么所述控制指令被传送到所述可控活动构件的至少一个致动器。
因此，根据本发明，测定垂直湍流的激烈度以确定是否有必要实施操作以减弱垂直湍流的影响。当有必要进行这些操作时，会对飞行器的总提升起作用(通过所述活动构件)，从而能够使飞行器机舱的任一点上的垂直负载系数的幅度最小化。本发明因此能够防止由前述类型的猛烈垂直湍流产生的垂直负载系数的突然变化。
在一种有利的方式中，为了确定风的垂直分量：
a1)在所述当前位置测量飞行器多个参数的实际值；以及
a2)基于所述测得的实际值计算所述风的垂直分量。
在该例中，有利地，对于飞机：
在步骤a1)中：
·利用惯性平台测量：飞机相对于地面的垂直速度Vz、飞机的机翼相对于水平面的倾斜角
飞机相对于水平面的姿态角(或空间方位角)θ和飞机的俯仰率q；
·利用测定风力的探测器来测量飞机相对于气团的速度Vtas，飞机在所述气团中行进；
·利用入射探测器测量飞机的入射角α；和
·利用侧滑探测器测量飞机的侧滑角β；以及
在步骤a2)中，利用以下公式计算风的垂直分量Wz：
其中l表示入射探测器和飞机重心之间的代数距离。
另外，在一种有利的方式中，垂直湍流的激烈度作为飞机平衡时的负载系数和垂直湍流产生的负载系数之间的垂直负载系数偏差的函数而被确定。
在该例中，优选地，所述激烈度：
在所述垂直负载系数偏差小于或等于第一预定值时对应于第一激烈度；
在所述垂直负载系数偏差大于所述第一预定值但小于第二预定值时对应于第二激烈度；以及
在所述垂直负载系数偏差大于或等于所述第二预定值时对应于第三激烈度。
在第一个变形实施例中，根据风的垂直分量及其导数(或微商，derivative)的两个线性组合来确定所述垂直湍流的激烈度，而且，在第二变形实施例中，根据两个概率的计算来确定所述激烈度。
另外，在一个具体实施例中：
根据风的垂直分量及其导数的线性组合来计算所述控制指令；和/或
所述启动条件取决于垂直湍流的激烈度和所述控制指令的值与预定阈值之间的偏差。
在一个具体实施例中，对于飞机，控制指令被传送到飞机的下列活动构件中的至少一个：扰流板和副翼，并确定至少一个用于补偿由所述活动构件的控制产生的俯仰力矩的辅助控制指令(并传送到飞机的升降舵)。
本发明还涉及一种设备，用于减弱飞行器(例如运输机)在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流对飞行器造成的影响。
根据本发明，所述设备的值得注意之处在于，其包括：
至少一个可控活动构件，其能够对飞行器的提升起作用；
第一装置，在所述飞行器的当前位置确定飞行器外部的风的垂直分量；
第二装置，在所述当前位置利用风的这个垂直分量自动地确定与飞行器外部的垂直湍流相关的激烈度；
第三装置，利用所述风的垂直分量为所述可控活动构件自动地计算至少一个控制指令，所述控制指令能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化；和
第四装置，自动地验证是否实现了取决于至少所述激烈度的启动条件，而且，在实现了所述启动条件时自动地把所述控制指令传送到所述可控活动构件的至少一个致动器。
根据本发明的设备因此能够减弱由垂直湍流产生的垂直负载系数的幅度，而且这能在飞行器的任何一点上完成。所述设备也能够减小任何高度变化。
而且，根据本发明的这个设备具有能够安装在任何类型的飞行器(军用、民用、商用)上的优点，所述飞行器装备有至少一个具有提升效果的任意类型的活动构件(扰流板、副翼等)。
在一个具体实施例中，所述第一装置包括：
一组测量元件，在所述当前位置自动地测量飞行器的多个参数的实际值；以及
计算装置，基于所述测得的实际值自动地计算所述风的垂直分量。
优选地，所述一组测量元件包括至少一个惯性平台、至少一个测定风力的探测器和至少一个入射探测器，以及可能的至少一个侧滑探测器。侧滑探测器的使用能够增加风的垂直分量的精度。通常，以上测量元件已经存在于飞行器上，从而能够大大降低本发明设备的成本。
为了再进一步降低所述设备的成本，有利地，所述第二和第三装置以及所述计算装置构成飞行器的自动导航系统的一部分。
附图说明
附图中的各个图将阐明实现本发明的方式。在这些图中，相同的附图标记表示类似的元件。
图1是根据本发明的设备的示意图；
图2示意地示出了根据本发明的设备的一个具体的示范性实施例。
具体实施方式
在图1中示意性示出的根据本发明的设备1用于减弱在飞行器(未示出)例如在运输机上，由所述飞行器在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流的影响。已经知道，湍流对应于叠加在空气平均运动之上的、由不断变化下的偶然性运动构成的空气搅动。在云的内部或附近(例如在暴风云中，其中同时存在相反定向的垂直气流)会遇到湍流。在地面附近或主要在接近急流的极高海拔高度处也存在晴空湍流。
根据本发明，所述设备1包括：
至少一个活动构件2，其是可控的并能够对飞行器的提升起作用；
将下文详细说明的装置3，在飞行器的当前位置确定在飞行器外部的风的垂直分量Wz；
装置4，利用从所述装置3接收到的风的垂直分量Wz，在所述当前位置自动地确定能够表征飞行器外部垂直湍流的激烈度；以及
装置5，用于相继地：
·利用经由线路6接收到的风的垂直分量Wz，为所述可控活动构件2自动地计算控制指令。这条控制指令能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化，如下文所述；
·自动地验证是否实现或达到启动条件(至少取决于经由线路7从所述装置4接收到的所述激烈度)；以及
·在实现了所述启动条件时并且仅在这个情况下自动地把所述计算出的控制指令经由线路9传送到所述可控活动构件2的标准致动器8。
因此，根据本发明的设备1确定了垂直湍流的激烈度，从而确定是否有必要实施操作以减弱垂直湍流的影响。当有必要实施这种操作时，所述设备1(通过所述活动构件2)对飞行器的总提升起作用，从而能够使飞行器的垂直负载系数的幅度最小化，而且这能够在飞行器的机舱的任一点上被完成。根据本发明的设备1因而能够特别防止猛烈垂直湍流产生的通常特别突然的垂直负载系数的变化。
在一个优选实施例中，所述装置3用于确定风的垂直分量Wz，其包括：
将在下文详细说明的测量单元10，用于在所述当前位置测量飞行器的多个参数的实际值；以及
计算装置11，经由线路12连接到所述测量单元10，而且计算装置11被配置成能够基于所述测量单元10测得的实际值来计算所述风的垂直分量Wz。
为此，所述测量单元10包括多个测量元件或传感器C1、C2，……，Cn，用于测量飞行器前述参数的实际值。
所述计算装置11经由线路13连接到所述装置4并经由线路6连接到所述装置5。
在一个具体实施例中，所述装置4和5与所述计算装置11被集成在中央单元15内，中央单元15例如构成飞行器的标准自动导航系统的一部分。由于这样的自动导航系统通常已经存在于飞行器上，这个具体实施例就能够降低根据本发明的设备1的成本并简化设备1的实现。
在一个具体实施例中，所述装置5根据在飞行器平衡时的负载系数和响应垂直湍流时的负载系数之间的垂直负载系数的偏差确定垂直湍流的激烈度。
在这个情况下，所述激烈度：
在所述垂直负载系数偏差小于或等于第一预定值时对应于第一激烈度(例如称作激烈度0)，第一预定值例如为0.3g，g对应于重力在地球表面产生的加速度值；
在所述垂直负载系数的偏差大于所述第一预定值(例如0.3g)但小于例如0.5g的第二预定值时对应于第二激烈度(例如称作激烈度1)；以及
在所述垂直负载系数偏差大于或等于所述第二预定值(例如0.5g)时对应于第三激烈度(例如称作激烈度2)。
在第一个变形实施例中，所述装置4根据风的垂直分量Wz及其导数的两个线性组合来确定所述垂直湍流的激烈度。这种线性组合的系数被优化成使得激烈度能被算法最佳识别。如果这些组合中的一个超过第一预定阈值，则得到激烈度1，而如果组合中的另一个超过第二预定阈值，则得到激烈度2。激烈度2优先于激烈度1。
此外，在第二变形实施例中，所述装置4根据两个概率的计算来确定所述激烈度，即，在一方面，出现大于第一预定值(例如大于0.3g)的垂直负载系数偏差(在预定的即将到来的持续时间内，例如在一秒内)的概率，在另一方面，出现大于第二预定值(例如大于0.5g)的垂直负载系数偏差(在所述预定的即将到来的持续时间内)的概率。根据从装置3接收到的风的垂直分量Wz、飞行器的入射角α和飞行器的俯仰率q来计算这两个概率。如果与0.3g的偏差相关联的概率超过预定阈值，那么得到激烈度1。如果与0.5g的偏差相关联的概率超过另一预定阈值，那么得到激烈度2。基于神经网络给出概率公式。激烈度2优先于激烈度1。
更进一步地，在一个具体实施例中，所述装置5基于风的垂直分量Wz及其导数的线性组合来计算用于活动构件2的所述控制指令。
更进一步地，由装置5所考虑的所述启动条件取决于经由线路7从所述装置4接收到的垂直湍流的激烈度，以及和一个阈值进行比较的所述控制指令的值。对于所要启动的系统(也就是所要实现的启动条件)，在前述例子中，所述激烈度必须至少为激烈度1，而且控制指令必须超过一个预定阈值。此后，如果控制指令保持小于一个预定值一段预定时间，而没有出现激烈度2，那么控制指令就被取消。如果激烈度从激烈度2变为激烈度1，而且入射角的导数是负的，那么控制指令也会被取消。
在图2示出的应用于飞机的一个优选实施例中，所述测量单元10包括如下分别经由线路12A、12B、12C和12D连接到所述计算装置11的装置作为传感器C1、C2、C3和C4：
标准的入射探测器C1，用于测量飞机的入射角α；
标准的侧滑探测器C2，用于测量飞机的侧滑角β；
标准的惯性平台C3，用于测量飞机相对于地面的垂直速度Vz、飞机的机翼相对于水平面的倾斜角飞机相对于水平面的姿态角θ和飞机的俯仰率q；以及
标准的测定风力的探测器C4，用于测量飞机相对于气团的速度Vtas，所述气团为所述飞机在其中行进的气团。
在这个例子中，计算装置11利用以下公式计算风的垂直分量Wz：
其中l表示入射探测器C1和飞机的重心之间的代数距离。
此外，在图2的这个例子中，入射探测器C1经由线路16A与装置4连接，用于提供入射角α，而且惯性平台C3经由线路16C与所述装置4连接，用于提供俯仰率q。根据第二个前述变形实施例，这个入射角α和这个俯仰率q可被装置4用于确定垂直湍流的激烈度。
此外，在图2的例子中，根据本发明的设备1包括如下活动构件：
至少一个标准的扰流板2A，其安装在飞机的机翼17上并配有标准的致动装置8A，致动装置8A经由线路9A连接到所述装置5；和
至少一个标准的副翼2B，其也安装在机翼17上并配有标准的致动装置8B，致动装置8B经由线路9B连接到所述装置5。
如前所述，根据风的垂直分量Wz及其导数的线性组合获得用于扰流板2A及副翼2B的控制指令。
此外，在一个具体实施例中，所述装置5还确定辅助控制指令，而且其将这个辅助控制指令经由线路18传送到标注升降舵20的标准致动器19，升降舵20安装在飞机的水平尾翼21上。这个辅助控制指令用于补偿由扰流板2A及副翼2B的控制(根据本发明)产生的俯仰力矩。根据在飞行状况(飞机的质量、平台、速度和高度)的基础上计算的增益，所述辅助控制指令与扰流板2A和副翼2B的控制指令成比例。各种指令被同步地设置。同步设置在于，使每个活动元件(活动构件2A、2B；升降舵20)所需的时间相等，从而达到设定点的值。将所述时间选择为最慢的活动元件(活动构件2A、2B；升降舵20)的时间。
当然，根据本发明确定的控制指令在被传送到活动元件(活动构件2A、2B；升降舵20)的致动器8A、8B、19之前被叠加在飞行器的其它导航构件以标准方式提供的指令上。因此，根据本发明的设备1也同样能很好地应用于飞行器手动飞行控制系统，如应用于飞行器自动飞行控制系统。
根据本发明的设备1因此能够减弱由垂直湍流产生的垂直负载系数的幅度，而且能在飞行器的任一点上完成这一功能。所述设备1也能减小任何高度变化。
此外，根据本发明的设备1具有能够安装在任何类型的飞行器(军用、民用、商用)上的优点，所述飞行器装备有至少一个具有飞行器的提升效果的任意类型的活动构件(扰流板2A、副翼2B)。
在本发明的范围内，可以用特定的探测器或飞行器系统之外的信息，例如利用从地面或其它飞行器接收到的天气预报信息来补充或替代前述计算风的垂直分量Wz的模式。
Claims (18)
1.一种用于在飞行器上减弱所述飞行器在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流的影响的方法，根据所述方法，在飞行过程中以自动的方式实施以下一系列连续的步骤：
a)在所述飞行器的当前位置确定飞行器外部的风的垂直分量；
c)利用所述风的垂直分量，为至少一个可控活动构件(2、2A、2B)计算至少一个控制指令，所述可控活动构件能够对飞行器的提升起作用，所述控制指令能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化；和
e)所述控制指令被传送到所述可控活动构件(2、2A、2B)的至少一个致动器(8、8A、8B)，
其特征在于：
在所述飞行过程中还以自动的方式实施以下步骤：
b)利用所述风的垂直分量，在所述当前位置确定与飞行器外部的垂直湍流相关的激烈度，垂直湍流的所述激烈度作为飞机平衡时的负载系数和垂直湍流产生的负载系数之间的垂直负载系数偏差的函数而被确定；和
d)执行检查以验证是否实现了至少取决于所述激烈度的启动条件；以及
在步骤e)中，实现了所述启动条件时，把所述控制指令传送到所述可控活动构件(2、2A、2B)的所述致动器(8、8A、8B)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：为了确定风的垂直分量：
a1)在所述当前位置测量飞行器的多个参数的实际值；以及
a2)根据所述测得的实际值计算所述风的垂直分量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：对于飞机：
在步骤a1)中：
·利用惯性平台(C3)测量：飞机相对于地面的垂直速度Vz、飞机的机翼相对于水平面的倾斜角
飞机相对于水平面的姿态角θ和飞机的俯仰率q；
·利用测定风力的探测器(C4)测量飞机相对于气团的速度Vtas，所述飞机在所述气团中行进；
·利用入射探测器(C1)测量飞机的入射角α；和
·利用侧滑探测器(C2)测量飞机的侧滑角β；以及
在步骤a2)中，利用以下公式计算风的垂直分量Wz：
其中l表示入射探测器(C1)和飞机重心间的代数距离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：所述激烈度：
-在所述垂直负载系数偏差小于或等于第一预定值时对应于第一激烈度；
在所述垂直负载系数偏差大于所述第一预定值但小于第二预定值时对应于第二激烈度；以及
在所述垂直负载系数偏差大于或等于所述第二预定值时对应于第三激烈度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤b)中，基于风的垂直分量及其导数的两个线性组合来确定所述垂直湍流的激烈度。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤b)中，基于两个概率的计算来确定所述垂直湍流的激烈度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤c)中，基于风的垂直分量及其导数的线性组合来计算所述控制指令。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤d)中，所述启动条件取决于垂直湍流的激烈度和所述控制指令的值与预定阈值之间的偏差。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：对于飞机，在步骤d)中，控制指令被传送到飞机的以下活动构件中的至少一个：扰流板(2A)和副翼(2B)，而且确定至少一个辅助控制指令用于补偿由所述活动构件(2A、2B)的控制产生的俯仰力矩，并将其传送到飞机的升降舵(20)。
10.一种用于在飞行器上减弱所述飞行器在飞行过程中遇到的至少一个垂直湍流的影响的设备，所述设备(1)包括：
至少一个可控活动构件(2、2A、2B)，能够对飞行器的提升起作用；
第一装置(3)，在所述飞行器的当前位置确定飞行器外部的风的垂直分量；
第三装置(5)，利用所述风的垂直分量为所述可控活动构件(2、2A、2B)自动地计算至少一个控制指令，所述控制指令能够使垂直湍流在飞行器上产生的负载系数的幅度最小化；和
第四装置(5)，自动地把所述控制指令传送到所述可控活动构件(2、2A、2B)的至少一个致动器(8、8A、8B)，
其特征在于：
所述设备(1)还包括第二装置(4)，用于在所述当前位置利用所述风的垂直分量自动地确定与飞行器外部的垂直湍流相关的激烈度，所述第二装置(4)将垂直湍流的所述激烈度作为飞机平衡时的负载系数和垂直湍流产生的负载系数之间的垂直负载系数偏差的函数来确定；和
所述第四装置(5)被制成自动地验证是否实现了至少取决于所述激烈度的启动条件，而且在实现了所述启动条件时把所述控制指令自动传送到所述可控活动构件(2、2A、2B)的所述致动器(8、8A、8B)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：所述第一装置(3)包括：
一组(10)测量元件(C1、C2、C3、C4、Cn)，在所述当前位置自动地测量飞行器的多个参数的实际值；以及
计算装置(11)，根据所述测得的实际值自动地计算所述风的垂直分量。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：所述一组(10)测量元件包括至少一个惯性平台(C3)、至少一个测定风力的探测器(C4)和至少一个入射探测器(C1)。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述一组(10)测量元件还包括至少一个侧滑探测器(C2)。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于：所述第二和第三装置(4、5)以及所述计算装置(11)形成飞行器的自动导航系统(15)的一部分。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其特征在于：所述活动构件是扰流板(2A)。
16.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其特征在于：所述活动构件是副翼(2B)。
17.一种飞行器，其特征在于包括能够实施权利要求1至9中任一项所述方法的设备(1)。
18.一种飞行器，其特征在于包括权利要求10至16中任一项所述的设备(1)。
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