CN102890882A - 地面效应模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种训练飞行员在地面效应条件下，或即将进入地面效应危险区的条件下控制飞行器的能力，以及执行操作的地面效应模拟器。它包括各种模块：用于模拟地面效应对飞行器扰动作用的模块，可以确定地面效应诱导的附加力和力矩；用于计算从飞行器到地面效应的距离的模块等。

Description

地面效应模拟器

技术领域

本发明涉及航空工程，是一种地面效应模拟器。具体地讲，这种模拟器用来在陆地上模拟飞行器在距离地面或水面较近的高度范围内的飞行状态，以及用来训练飞行员在这种状态下对飞行器的控制并采取的具体措施的能力。

背景技术

地面效应常常发生在飞行器飞行高度较低的时候。此时的飞行高度一般小于飞行器机翼翼展的长度，例如在飞行器的起飞和降落阶段。此时，飞行器能获得比空中飞行更高的升阻比(升力与阻力之比)，这种现象被称作地面效应。

这种地面或水面的存在对飞行器周围流场产生影响会使飞行器在近地面飞行和在高空飞行时的空气动力学特性有很大差异。具体原因在于：三维机翼在飞行过程中会产生翼尖涡，但是在离地面较近的时候，翼尖涡没有足够的空间形成，因而没有形成对飞行器在高空中飞行时由翼尖涡产生的下洗的影响。因而，地面效应的存在会使整个飞行器的上下表面的压力差增大，升力会陡然增加，同时飞行器诱导阻力减小。

此种现象主要使用在两个地方：1.赛车利用特殊设计的车底来产生向下的升力，来增加赛车的贴地性。如此一来车轮的摩擦力就会提高，从而令赛车具有更高的车速和转弯性。2.利用机翼的地面效应所产生的强大升力来飞行的特殊飞行器，是一种地面效应飞机，常用于水上运输。

地面效应对飞行安全有很大影响。首先，在地面效应的作用范围内，飞行器起飞时虽然感觉飞机更容易从地面上拉起来，但此时飞机处于低速大迎角的范围，非常接近失速。当飞机爬升超过了地面效应的作用范围以后，翼尖涡流的下洗作用不再被阻挡，开始起作用，造成了迎角进一步增大，更接近于失速。此时飞机若未能加速到更安全的速度，将有可能进入失速状态，而此时的离地高度将难以使飞机从失速中改出。结果造成飞行器失控，甚至引发灾难。同理，在降落时，飞机会在最后接近地面时因为获得地面效应的过大升力而突然上升，如果不及时应对，飞机就会在减速时突然急速提升高度，因其降落速度非常接近失速速度，所以极易变成失速的状态。而即使只是数十尺亦可能造成严重甚至致命的意外。因此地面效应对于飞行员来说需要谨慎处理。

为了保障飞行器的安全飞行，在飞行器遭遇地面效应时，必须选取可以确保安全的飞行模式。现代飞行器是在仪表飞行规则下使用各种飞行安全系统的，飞行员的任务是实施飞行控制命令或按照自动模式控制飞行器。在这种条件下，当飞行器可能遭遇地面效应危险区的时候，飞行员和飞行器必须进行各自的任务，完成应对飞行器的地面效应的处理。所以必须训练飞行员在相同情况下执行任务的能力，为的是增大他们正确评估情况、正确判定、执行相应的飞行操作的能力。这种训练把各种不同的视觉信号信息提供给他们，目的是给飞行员设置某些操作序列特征，飞行员记忆操作序列特征，并牢记对它们的感觉。此外，通过模拟训练可以是飞行员建立对飞行在地面效应期间的感情和压力的场景。

提供一种在陆地上工作的飞行训练模拟器，能对地面效应进行合适的模拟，并能训练飞行员完成上述任务是极其重要的。这种模拟器被称为地面效应模拟器。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟地面效应状态的飞行模拟器，用以训练飞行员的相应的飞行技术，即执行应对地面效应操作以避免危险的技术。这种地面效应模拟器可为接受训练的飞行员提供有关确定飞行器距离地面效应危险区的距离、时间、进入地面效应危险区后飞行器表面受力和力矩的分布和强度。同时，选取操作以避免飞行器遭遇过度地面效应。这种在地面效应危险状态下用于训练飞行员的飞行技术的模拟器的表现形式是组成它的各种模块。这些模块功能及其连接关系如下：

●启动模块：它能够选取一个训练方案并启动其它各个模块的运行。

●大气条件数据库模块：存储多种大气环境压力、大气对流速度、温度、湿度等信息。

●飞行参数存储模块：存储不同飞行器的外形几何尺寸、飞行器不同的飞行状态信息，如飞行速度、加速度、攻角、偏向角、滚动角等。

●模拟地面效应状态的模块：存储由大气数据、飞行高度和飞行参数的各种组合条件下计算的飞行器表面受力和力矩分布和强度。该模块包括以下2个单元：

(1)原始快照的正交基存储单元；

(2)原始快照特征系数矩阵存储单元。

●模拟地面效应对飞行器影响的模块：计算由地面效应诱发的飞行器附加受力和力矩。该模块包括以下5个单元：

(1)受力点选择单元；

(2)所受力积分运算单元；

(3)所受力矩积分运算单元。

(4)插值运算单元；

(5)地面效应计算单元。

●模拟报警模块：按照危险性判断准则，根据计算的受力和力矩分布和强度，启动报警。

●计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块；根据大气条件和飞行参数计算飞行器到地面效应危险区的距离和时间。该模块包括以下2个单元：

(1)插值运算单元；

(2)从飞行器到地面效应危险区的距离的计算单元。

●模拟外界目视状态的模块：根据飞行器类型、计算的受力和力矩分布，用视觉模拟技术绘制并显示云层、飞行器表面、地面或水面。

●模拟飞行员工作区的模块：配备电机驱动的运动系统的座椅。

●模拟航空仪表板的模块：显示各种航空仪表，包括地面效应报警显示窗。

●模拟飞行器动态数据传输的模块：将飞行器的力和力矩、地面效应诱发的附加力和力矩的信号发射到模拟飞行员工作区模块、模拟航空仪表板模块和模仿外界目视状态模块。

●模拟黑匣子的模块：记录各种数据、数据交换、计算结果、运行程序的中间状态信息。

附图说明

图1实施例中的模拟器布局方案图。

图2实施例中用于模拟地面效应状态的模块(4)内部布局图。

图3实施例中用于模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)的工作流程图。

具体实施方式

以一个具体实施的例子进一步说明本发明提出的一种地面效应模拟器的原理和结构。

图1是地面效应模拟器布局的方案图。该模拟器包括：启动模块(1)、大气条件数据库模块(2)、飞行参数存储模块(3)、模拟地面效应状态的模块(4)、模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)、模拟飞行器动态数据传输的模块(6)、计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块(7)、模拟报警模块(8)、模拟外界目视状态的模块(9)、模拟飞行员工作区的模块(10)、模拟航空仪表板的模块(11)、模拟黑匣子的模块(12)。该模拟器在陆地上用于训练飞行员在地面效应危险条件下的飞行技术。

启动模块(1)内部设有延迟电路，与其他各个模块相连。功能是为模拟器中各种电子元件加载电源、做必要的仪表清零设置、预热。在完成上述任务后，进入工作模式选择状态。选择模拟精度(包括数据的精度、误差等级)、选择案例(决定进行模拟的大气条件、飞行器型号、飞行状态)、最后设定初始时间为开始计时参考。

大气条件数据库模块(2)中存储大气空环境压力、大气对流速度、温度、湿度，是三维空间网格点的形式存储的。网格间距为1米，空间范围足够大，以涵盖飞行器进行起飞和降落期间的飞行距离。同时对每个案例，有经过线性插值后获得的、对应于空间高精度的数据备份文件，以备调用。具体是根据启动模块(1)的指示进行选择的。

飞行参数存储模块(3)存储多种型号的飞行器外形几何尺寸，是以飞行器表面三维空间网格节点坐标的形式储存的。同时存储大量飞行常遇到的飞行参数，如飞行高度、加速度、攻角、偏向角、滚动角、飞行高度传感器布置位置等数据。根据启动模块(1)的指示选择飞行器型号和飞行参数。

模拟地面效应状态的模块(4)的功能是存储、生成大量模拟飞行器地面效应的数据。该模块共包含四个单元，分别是：原始快照存储单元(13)、原始快照的正交基存储单元(14)、原始快照的特征系数矩阵存储单元(15)、数据更新单元(16)。所述的原始快照是通过空中飞行试验、陆地上的风洞实验或者计算流体力学的数值模拟技术获得的、描述飞行器在多种大气条件和飞行条件下受地面效应影响的空气动力学特性的记录。图2是实施例中用于模拟地面效应状态的模块内部布局图，给出该模块中的单元之间的关系。具体说明如下，

(1)原始快照存储单元(13)。原始快照的表现形式是按照飞行器表面各个点的空间坐标值构成的一个多维数组。例如，原始快照是一个变量的向量集合，其形式是，

$\left\{U_j^i\right\},---\left(1\right)$

i＝1，2，…，ns；

j＝1，2，…，N，

其中，ns是原始快照的个数；N是坐标点数。其具体形式是ns个N维的向量集合。在每个向量中，U是一个飞行器表面位置的坐标向量。原始快照的每个向量

的维数实际应该是m·N，其中m是U的维数，可以是各个坐标点的压力、密度、速度等信息。多个原始快照构成了多种训练方案，对其进行插值计算可以生成飞行器在任意条件下所感受地面效应的状态。

(2)原始快照的正交基存储单元(14)。其中是以矩阵形式存储原始快照的一组正交基。表现形式是ns个N维正交基向量的集合，即

i＝1，2，…，ns；

j＝1，2，…，N。

N维向量

的一组正交基的获得方法是公知的，这里不再叙述。该单元与模块(5)中的单元(20)连接，以备其调用。

(3)原始快照的特征系数矩阵存储单元(15)。其中是以矩阵的形式存储原始快照的特征系数向量矩阵。该矩阵是一个ns行ns列的方阵，具体形式是，

$\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\α}}_1^1& {\mathrm{\α}}_2^1& .& .& .& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ns}}^1\\ {\mathrm{\α}}_1^2& {\mathrm{\α}}_2^2& .& .& .& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ns}}^2\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ .& .& & & & .\\ {\mathrm{\α}}_1^{\mathrm{ns}}& {\mathrm{\α}}_2^{\mathrm{ns}}& .& .& .& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{ns}}^{\mathrm{ns}}\end{array}\right].---\left(3\right)$

该单元与模块(5)中的单元(20)连接，以备其调用。

(4)数据更新单元(16)。因为公式(3)中的每个原始快照特征系数有下式获得，

k＝1，2，…，ns，

i＝1，2，…，ns。

本单元的功能是将单元(13)和(14)中的信息按照公式(4)做运算，生成公式(3)表示的向量矩阵。同时该单元设有外部数据接口，可以对单元(13)中的数据进行更新。更新后重新按照公式(4)计算公式(3)中的数据。

模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)，的功能是根据模块(1、2、3)决定的条件参数并结合模块(4)计算特定飞行器外表面的压力分布。根据上述模块的数据，计算飞行器的空气动力学特性，力和力矩、地面效应引起的附加力和力矩。该模块包括以下五个单元：受力点选择单元(17)、所受力积分运算单元(18)、所受力矩积分运算单元(19)、插值运算单元(20)、地面效应计算单元(21)。图3是实施例中用于模拟地面效应对飞行器影响的模块的工作流程图。各单元的功能和其他单元的连接关系具体描述如下，

(1)受力点选择单元(17)。将模拟飞行器表面的空间坐标转化为每个点上受力。将选择的受力点传送至(18)和(19)。

(2)所受力积分运算单元(18)将受力点选择单元(17)内的力进行积分计算获得飞行器的受力总和。力传送到模拟飞行器动态数据传输的模块(6)。

(3)所受力矩积分运算单元(19)将受力点选择单元(17)内的力对飞行器的空气动力学中心取力矩计算，获得的力矩分布。力矩模拟飞行器动态数据传输的模块(6)。

(4)插值运算单元(20)。功能是对原始快照特征系数进行插值。如果选择的训练方案k不是原始快照之一，可以根据选择的飞行状态参数和大气状态参数与模块(4)中的单元(15)中存储的原始快照的特征系数进行插值，获得选择的训练方案下的特征系数将插值结果传送至单元(21)

(5)地面效应计算单元(21)。的功能是利用单元(20)获得的插值特征系数

乘以模块(4)中的单元(14)中的原始快照的正交基，即

j＝1，2，N。

最终，该模块获得选择的训练方案的地面效应状态，即飞行器表面选择的位置点的压力值，以及飞行器所受力矩。计算飞行器外表面的压力的计算时的误差等级由模块(1)决定。地面效应的计算仍需要一定的计算时间，不能按照实时完成，所以要记录计算时间。该模块将计算结果发送给模拟飞行器动态数据传输的模块(6)，并通过其发送给模拟飞行员工作区的模块(10)和模拟航空仪表板的模块(11)。

计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块(7)由启动模块(1)选择进入，调用大气条件数据库模块(2)中的大气数据和飞行参数存储模块(3)中的飞行参数数据，计算飞行器到地面效应区的距离和时间，结果发送到模拟航空仪表板的模块(11)。

模拟报警模块(8)根据内部设置的安全准则启动报警电路。原理是将模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)和计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块(7)传入的飞行器受力换算为升力与阻力之比，同时输入飞行参数存储模块(3)中的飞行攻角，并与设定的安全电压值比较，超过安全准则规定的许用范围则启动报警灯，并且记录该时刻的时间。

模拟外界目视状态的模块(9)是模拟飞行器从驾驶舱向外的视觉场景。能够通过根据模块(1、2、3、4、5、7)的信息和数据结果在屏幕上多视角展示飞行器距离地面或者水面的距离。显示的时间是当时的时间。

模拟飞行员工作区的模块(10)是真实的座椅，它由电机控制可进行动力摇摆，能够感受由模块(5)计算的面对如无地面效应时的力和力矩、地面效应引起的附加力和力矩。

模拟航空仪表板的模块(11)是正式的仪表板，可以展示模块(1、2、3、4、5、7、8)的信息和状态。

模拟黑匣子的模块(12)从起始时间开始度模拟器的中作状态进行记录。

模拟飞行器动态数据传输的模块(6)将飞行器的力和力矩、结冰诱发的附加力和力矩的信号发射到模拟飞行员工作区模块(10)、模拟航空仪表板模块(11)，和模仿外界目视状态模块(9)。将飞行器到地面效应危险区的距离的信号发射到模拟航空仪表板模块(11)。

附图标记列表

1启动模块

2大气条件数据库模块

3飞行参数存储模块

4模拟地面效应状态的模块

5模拟地面效应对飞行器影响的模块

6模拟飞行器动态数据传输的模块

7计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块

8模拟报警模块

9模拟外界目视状态的模块

10模拟飞行员工作区的模块

11模拟航空仪表板的模块

12模拟黑匣子的模块

13原始快照的存储单元

14原始快照的正交基存储单元

15原始快照的特征系数矩阵存储单元

16数据更新单元

17受力点选择单元

18所受力积分运算单元

19所受力矩积分运算单元

20插值运算单元

21地面效应计算单元

Claims (7)

1.一种地面效应模拟器，其特征在于，该飞行模拟器包括：

●启动模块(1)；

●大气条件数据库模块(2)；

●飞行参数存储模块(3)；

●模拟地面效应状态的模块(4)；

●模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)；

●模拟飞行器动态数据传输的模块(6)；

●计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块(7)；

●模拟报警模块(8)；

●模拟外界目视状态的模块(9)；

●模拟飞行员工作区的模块(10)；

●模拟航空仪表板的模块(11)；

●模拟黑匣子的模块(12)。

2.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，其中所述的模拟地面效应状态的模块(4)包括：

●原始快照的存储单元(13)

●原始快照的正交基存储单元(14)

●原始快照的特征系数矩阵存储单元(15)

●数据更新单元(16)。

3.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，所述的模拟飞行器动态数据传输的模块(6)包括：

●受力点选择单元(17)

●所受力积分运算单元(18)

●所受力矩积分运算单元(19)

●插值运算单元(20)

●地面效应计算单元(21)。

4.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，所述的启动模块(1)与其他所有模块和单元相连接。

5.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，所述的大气条件数据库模块(2)、飞行参数存储模块(3)、模拟地面效应状态的模块(4)将信息发送到到模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)。

6.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，所述的模拟飞行器动态数据传输的模块(6)接受模拟地面效应对飞行器影响的模块(5)的信息，传送至模拟外界目视状态的模块(9)、模拟飞行员工作区的模块(10)、模拟航空仪表板的模块(11)。

7.按照权利要求1所述的一种地面效应模拟器，其特征在于，所述的模拟报警模块(8)接受计算从飞行器到地面效应危险区的距离的模块(7)的信息，传送给模拟航空仪表板的模块(11)。

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