CN104035338A - 一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法，包括多发动机的直升机飞行模拟器和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序置于多发动机的直升机飞行模拟器的主解算计算机中；多发动机的直升机飞行模拟器各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；具有自动匹配计算多台发动机协调工作情况，解决了多台发动机停车、冷转、起动和空域飞行时功率匹配输出仿真，提高了直升机仿真的逼真度。选用了直升机通用的飞行动力学和运动学数学模型，可通过建立不同机型的动力系统性能数据表格和直升机设计参数，实现不同型号直升机动力系统动态匹配的仿真。 <b/><b/>

Description

一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法，属于飞行仿真技术领域。

背景技术

直升机采用涡轴发动机作为动力系统，通过功率轴驱动旋翼控制直升机进行垂直起落、悬停、侧飞、倒飞和空域飞行等。现代直升机因功率和机动性的需求，往往在设计上采用两个或两个以上的多发动机作为动力系统，以往的单发动机独立仿真方法不能够直接用于多发动机动力系统的仿真中，而且双发动机或多发动机在起动过程、空域飞行、故障特情中还涉及到多台发动机燃气发生器转速、自由涡轮转速和旋翼转速等相互匹配工作的情况。在地面或空中起动过程中，多台发动机先后起动，为了满足驱动旋翼转速的需要，发动机的工作状态发生变化，以往的发动机仿真方法存在不足，并不能够逼真有效的实现真实工作情况。另一方面，在飞行模拟中，通过特情故障模拟，飞行员还可在模拟器上反复练习各种故障及紧急情况的处理方法。这样，在实际飞行中遇到类似情况，就可临危不惧，减少或避免发生飞行事故，保证飞行安全。直升机飞行中被公认的三大特情是发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，而这三大特情都涉及到动力系统动态匹配仿真的问题，也正是以往发动机仿真中没有解决的问题。

发明内容

为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法。动态匹配的含义是：根据直升机的飞行状态和发动机的工作情况，实时调节发动机的参数，通过多台发动机间的相互匹配工作，使自由涡轮输出功率满足直升机飞行动态变化需求；

本发明提供的一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法的步骤和条件如下：包括多发动机的直升机飞行模拟器和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序置于多发动机的直升机飞行模拟器的主解算计算机中；多发动机的直升机飞行模拟器各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；

多发动机的直升机飞行模拟器包括通过网卡链接的主解算计算机、座舱模拟分系统、视景显示分系统、教员控制台分系统和运动模拟分系统；该模拟器是由空军航空大学军事仿真技术研究所研制生产的商品；

主解算计算机中存储和运行多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序，主解算计算机为一台PC计算机或工业控制计算机；

座舱模拟分系统中包含模拟多发动机的直升机的座舱内操纵机构、仪表、多功能显示器、指示灯、开关、按钮以及一台负责采集以上设备信息的座舱模拟分系统计算机，座舱模拟分系统计算机为一台工业控制计算机，安装信号采集卡，通过网卡与飞行模拟器的各分系统进行网络通信；座舱内操纵机构包括均为多个油门杆、冷转按钮和起动按钮，分别控制多台发动机；机械联动的总距杆同时控制多台发动机；

视景显示分系统包括视景数据库、成像子系统和显示子系统；为驾驶员提供逼真的舱外模拟景象，逼真地模拟各种气象条件下飞行时的多种空、地、海景象视觉效果以及多种空、地、海目标及其相对运动的动态效果。

视景数据库存储在成像子系统的专业图形工作站的硬盘中，包括陆地、海岸线、海洋景象、三维物体以及多种特殊效果在内的满足各种训练任务所需全彩色景象信息，视景数据库中不仅包含模型的几何信息，而且包含纹理、材质信息、灯光、细节层次LOD、模板、运动的高级特征信息；

成像子系统由一台专业图形工作站IDX-6000、三台迅腾5800图形工作站、一台UPS电源组成；IDX-6000图形工作站生成上视场三通道成像视景，两台迅腾5800图形工作站生成两个通道的下视场，一台迅腾5800图形工作站生成三方观察通道的视景；以DEM地形高程数据+卫星照片纹理+航片纹理的方式建立起来的视景数据库存储在专业图形工作站的硬盘中，成像计算机的实时管理与控制软件实时运行时，根据科目的不同预先调用相应的视景数据库，以TCP/IP协议通过1000M以太网络接受主解算计算机传送过来的直升机视点位置姿态数据，实时生成模拟座舱外视景图像，送显示子系统显示输出，同时按照飞行姿态数据解算出当前直升机位置的相对于海平面的地形高度数据，通过网络传输给主解算计算机；

给受训飞行人员提供逼真的舱外景象，使受训人员仿佛置身于真实战场环境中，成像子系统可以提供多种条件下的模拟飞行视景，包括以指定机场为中心的大面积真实地形场景、机场、空域、主要地标、空中及地面运动或固定三维目标和夜航灯点，以及可实时调节的时间状态、季节变化、气候变化、云雾效果、能见度效果、爆炸效果、毁损效果的特殊效果；成像子系统生成视景水平窗口、视景下视窗口的以飞行人员眼位为视点的舱外视景图像和教员控制台第三方观察通道中可以各种视点观察直升机姿态的视景图像；

显示子系统由球面反射镜作为大型准直镜、后投射屏和融合计算机组成，将视景子系统产生传输过来的视景图像拼接成一个无缝整体景象。

教员控制台分系统包括主控界面计算机和主控界面程序，主控界面计算机上运行主控界面程序；主控界面程序实现飞行条件设置、特情设置、飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示；飞行过程的记忆、冻结、解冻；训练过程的重放以及成绩评定功能；

教员控制台分系统是教员对模拟训练过程进行控制的操作台，教员可以设置模拟训练的条件、设置特情、控制训练过程、监控受训情况、对训练情况进行再现。

运动模拟分系统包括六自由度平台运动子系统、座舱振动子系统和承载平台子系统三部分；

六自由度平台运动子系统提供包括直升机各种工作状态下的姿态及过载变化；

座舱振动子系统为模拟器座舱内的驾驶员提供高频低幅的振动感觉，用来真实地模拟在直升机飞行过程中包括起飞、着陆时驾驶员所感受到的由座舱传来的振动；

承载平台子系统安装在六自由度平台运动子系统平台的上平面上，用来安装显示子系统、座舱模拟分系统和教员控制台分系统，设计上保证承载平台子系统具有足够的刚度和较轻的质量；

运动模拟分系统是用来模拟直升机的加速度和姿态，以使飞行员的身体感觉到直升机的运动，飞行员在模拟座舱内操纵直升机运动时，运动平台就会产生相应的运动，从而使飞行员的身体及大脑中的前庭器官感受到这种运动，飞行员借助这种感觉判断出直升机姿态及速度的变化；

所述的多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序包括数据交换模块、数据处理模块、燃气发生器模块、旋翼模块、运动方程模块；

所述的数据交换模块是实时通过网络接收多发动机的直升机飞行模拟器中的座舱模拟分系统的操纵机构采集信号和教员控制台分系统的特情设置信号；①操纵机构采集信号包括每台发动机各自的油门杆、冷转按钮和起动按钮，以及两个机械联动总距杆的信息，座舱模拟分系统通过电位器对油门杆位置、总距杆位置进行数字化转换，将模拟量转换成数字量，并进行归一化处理，形成在操纵机构操纵范围内为0~1变化的数字量，而起动按钮和冷转按钮通过座舱模拟分系统中计算机采集，将TTL电平转换成0或1变化的数字量，上述的数字量存储于座舱模拟分系统计算机中；②教员控制台分系统的特情设置信号包括直升机飞行中发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；

所述的数据处理模块是对数据交换模块接收到的座舱模拟分系统的数字量信号进行插值处理，根据操纵机构采集信号的油门杆、总距杆量程和对应指示值，将0~1的数字量通过插值处理的方法转换成对应行程物理量，具体对应为油门杆的位置度数、总距杆上下提动所对应的度数；

所述的燃气发生器模块，包括燃气发生器数据数组和燃气发生器计算程序，在燃气发生器计算程序中建立燃气发生器转速与温度、高度以及总距操纵位置的数据关系表格，存储于燃气发生器数据数组中；根据数据处理模块对座舱模拟分系统的插值处理后的数据及运动方程模块解算出的当前多发动机的直升机飞行模拟器的状态，通过燃气发生器计算程序对动力系统在停车、冷转、起动及空域飞行过程中各发动机燃气发生器转速进行计算，并根据旋翼功率需求，采用动态匹配的方法，插值计算各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速；

所述的旋翼模块，包括旋翼转速数据数组和旋翼转速计算程序，旋翼转速数据数组是根据旋翼转速与燃气发生器转速之间的数据关系表格建立的数据数组，旋翼转速计算程序根据发动机燃气发生器模块插值计算的各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速以及对应发动机停车故障、燃油调节故障和尾桨失效的设置，计算出动力系统通过功率轴提供的功率，并由运动方程模块计算的旋翼需求功率，通过旋翼转速数据数组解算出当前旋翼转速；

所述的运动方程模块，由质心动力学方程模块和运动学方程模块组成，利用通用的质心动力学方程和运动学方程模型（详见附件1），将座舱模拟分系统的操纵机构采集信号和旋翼模块的当前旋翼转速输入方程进行解算，得到多发动机的直升机飞行模拟器的位置和姿态，经数据交换模块送给座舱模拟分系统、视景显示分系统、教员控制台分系统和运动模拟分系统；

下面介绍多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序的流程：

步骤100，开始；

步骤101，初始化，完成以下内容：

①对多发动机的直升机飞行模拟器所在机场、气象环境、风场环境以及直升机初始位置进行初始化；

②对多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序内部需要进行初始化的变量进行初始化；

步骤102，数据交换，数据交换模块接收座舱模拟分系统的操纵机构采集信号和教员控制台分系统的特情设置信号的数字离散量信息；座舱模拟分系统通过局域网与数据交换模块进行实时在线通信，完成数据交换，数据通信方式采用TCP/IP协议，保证多发动机的直升机飞行模拟器和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序数据解算的实时性；

步骤103，数据处理，数据处理模块将油门杆和总距杆的量程和对应指示值，通过插值处理的方法转换成对应行程物理量；

步骤104，发动机停车？是，执行步骤105，根据燃气发生器数据数组中发动机停车时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块和旋翼模块中发动机停车动力系统计算1计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤106；

步骤106，发动机冷转？是，执行步骤107，根据燃气发生器数据数组中发动机冷转时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块和旋翼模块中发动机冷转动力系统计算2计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤108；

步骤108，发动机参数计算，执行步骤109，根据燃气发生器数据数组中发动机起动工作时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块和旋翼模块中发动机起动时动力系统计算3计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；

步骤110，退出？是，执行步骤111，程序结束；否，执行步骤102，程序实时在线循环执行步骤102~110，程序循环周期为10ms；

步骤111，程序结束。

有益效果：本发明提供一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法，包括多发动机的直升机飞行模拟器和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序置于多发动机的直升机飞行模拟器的主解算计算机中；多发动机的直升机飞行模拟器各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；具有自动匹配计算多台发动机协调工作情况，解决了多台发动机停车、冷转、起动和空域飞行时功率匹配输出仿真，同时对直升机三大特情下动力系统的工作情况进行动态匹配仿真，提高了直升机仿真的逼真度。同时由于在发明中选用了直升机通用的飞行动力学和运动学数学模型，该发明具有通用性，通过建立不同机型的动力系统性能数据表格和直升机设计参数，实现不同型号直升机动力系统动态匹配的仿真。

附图说明

图1是本发明的一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真系统构成示意方框图。

图2是本发明的一种多发动机的直升机动力系统仿真控制程序的流程图。

图3是本发明的一种多发动机参数计算程序的流程图。

图4是本发明的多发动机直升机教员控制台分系统的主控界面程序流程图

图5是本发明的多发动机的直升机飞行运动方程模块的流程图。

具体实施方式

实施例1 一种多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真方法，实施例1所述的多发动机为双发动机，步骤和条件如下（如图1所示）：包括多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）置于多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）中；多发动机的直升机飞行模拟器（100）各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；优选通信率1Gbps，有24个接口，网卡通信率为1Gbps，保证多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序(200)数据解算的实时性；

多发动机的直升机飞行模拟器(100)包括通过网卡链接的主解算计算机（110）、座舱模拟分系统(120)、视景显示分系统(130)、教员控制台分系统(140)和运动模拟分系统(150)；该模拟器是由空军航空大学军事仿真技术研究所研制生产的商品；

主解算计算机（110）中存储和运行多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200），主解算计算机为一台PC计算机或工业控制计算机，通过网卡与飞行模拟器的各分系统进行网络通信；

座舱模拟分系统（120）中包含模拟多发动机的直升机的座舱内操纵机构、仪表、多功能显示器、指示灯、开关、按钮以及一台负责采集以上设备信息的座舱模拟分系统计算机，座舱模拟分系统计算机为一台工业控制计算机，安装信号采集卡，通过网卡与飞行模拟器的各分系统进行网络通信；实施例1中座舱内操纵机构包括均为两个油门杆、冷转按钮和起动按钮，分别控制两台发动机；机械联动的两个总距杆同时控制两台发动机；

视景显示分系统（130）包括视景数据库、成像子系统和显示子系统；为驾驶员提供逼真的舱外模拟景象，逼真地模拟各种气象条件下飞行时的多种空、地、海景象视觉效果以及多种空、地、海目标及其相对运动的动态效果。

视景数据库存储在成像子系统的专业图形工作站的硬盘中，包括陆地、海岸线、海洋景象、三维物体以及多种特殊效果在内的满足各种训练任务所需全彩色景象信息，视景数据库中不仅包含模型的几何信息，而且包含纹理、材质信息、灯光、细节层次LOD、模板、运动的高级特征信息；

成像子系统由一台专业图形工作站IDX-6000、三台迅腾5800图形工作站、一台UPS电源组成；IDX-6000图形工作站生成上视场三通道成像视景，两台迅腾5800图形工作站生成两个通道的下视场，一台迅腾5800图形工作站生成三方观察通道的视景；以DEM地形高程数据+卫星照片纹理+航片纹理的方式建立起来的视景数据库存储在专业图形工作站的硬盘中，成像计算机的实时管理与控制软件实时运行时，根据科目的不同预先调用相应的视景数据库，以TCP/IP协议通过1000M以太网络接受主解算计算机（110）传送过来的直升机视点位置姿态数据，实时生成模拟座舱外视景图像，送显示子系统显示输出，同时按照飞行姿态数据解算出当前直升机位置的相对于海平面的地形高度数据，通过网络传输给主解算计算机（110）；

给受训飞行人员提供逼真的舱外景象，使受训人员仿佛置身于真实战场环境中，成像子系统可以提供多种条件下的模拟飞行视景，包括以指定机场为中心的大面积真实地形场景、机场、空域、主要地标、空中及地面运动或固定三维目标和夜航灯点，以及可实时调节的时间状态、季节变化、气候变化、云雾效果、能见度效果、爆炸效果、毁损效果的特殊效果；成像子系统生成视景水平窗口、视景下视窗口的以飞行人员眼位为视点的舱外视景图像和教员控制台第三方观察通道中可以各种视点观察直升机姿态的视景图像；图形道数为6个，含主通道3个，下视窗口2个，教员控制台第三方观察通道1个；多边形生成能力：≮50000个（帧）/通道；光点生成能力：≮5000个（帧）/通道；纹理内存：≮512Mb/通道；

显示子系统由球面反射镜作为大型准直镜、后投射屏和融合计算机组成；融合计算机采用挪威3DP公司推出的UTMZEROSXGA+系列融合校正计算机，修正曲面幕产生的几何畸变和实现多通道投影机之间的无缝拼接，将视景子系统产生传输过来的视景图像拼接成一个无缝整体景象。

教员控制台分系统（140）包括主控界面计算机和主控界面程序，主控界面计算机上运行主控界面程序，主控界面计算机的主频不低于1GHz，内存不低于512MB，显卡为Geforce6600，显存256M，硬盘不少于20GB，光驱40倍速以上；主控界面程序实现飞行条件设置、特情设置、飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示；飞行过程的记忆、冻结、解冻；训练过程的重放以及成绩评定功能；

教员控制台分系统（140）是教员对模拟训练过程进行控制的操作台，教员可以设置模拟训练的条件、设置特情、控制训练过程、监控受训情况、对训练情况进行再现。

运动模拟分系统（150）包括六自由度平台运动子系统、座舱振动子系统和承载平台子系统三部分；

六自由度平台运动子系统提供包括直升机各种工作状态下的姿态及过载变化；

座舱振动子系统为模拟器座舱内的驾驶员提供高频低幅的振动感觉，用来真实地模拟在直升机飞行过程中包括起飞、着陆时驾驶员所感受到的由座舱传来的振动；

承载平台子系统安装在六自由度平台运动子系统平台的上平面上，用来安装显示子系统、座舱分系统和教员控制台分系统（140），设计上保证承载平台子系统具有足够的刚度和较轻的质量；

运动模拟分系统（150）是用来模拟直升机的加速度和姿态，以使飞行员的身体感觉到直升机的运动，飞行员在模拟座舱内操纵直升机运动时，运动平台就会产生相应的运动，从而使飞行员的身体及大脑中的前庭器官感受到这种运动，飞行员借助这种感觉判断出直升机姿态及速度的变化；

所述的多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）包括数据交换模块（210）、数据处理模块（220）、燃气发生器模块（230）、旋翼模块（240）、运动方程模块（250）；

所述的数据交换模块（210）是实时通过网络接收多发动机的直升机飞行模拟器（100）中的座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（140）的特情设置信号；①操纵机构采集信号包括每台发动机各自的油门杆、冷转按钮和起动按钮，以及两个机械联动总距杆的信息，座舱模拟分系统（120）通过电位器对油门杆位置、总距杆位置进行数字化转换，将模拟量转换成数字量，并进行归一化处理，形成在操纵机构操纵范围内为0~1变化的数字量，而起动按钮和冷转按钮通过座舱模拟分系统中计算机采集，将TTL电平转换成0或1变化的数字量，上述的数字量存储于座舱模拟分系统计算机中；②教员控制台分系统（140）的特情设置信号包括直升机飞行中发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；

所述的数据处理模块（220）是对数据交换模块（210）接收到的座舱模拟分系统（120）的数字量信号进行插值处理，根据操纵机构采集信号的油门杆、总距杆量程和对应指示值，将0~1的数字量通过插值处理的方法转换成对应行程物理量，具体对应为油门杆的位置度数、总距杆上下提动所对应的度数；

所述的燃气发生器模块（230），包括燃气发生器数据数组和燃气发生器计算程序，在燃气发生器计算程序中建立燃气发生器转速与温度、高度以及总距操纵位置的数据关系表格，存储于燃气发生器数据数组中；根据数据处理模块（220）对座舱模拟分系统（120）的插值处理后的数据及运动方程模块（250）解算出的当前多发动机的直升机飞行模拟器（100）的状态，通过燃气发生器计算程序对动力系统在停车、冷转、起动及空域飞行过程中各发动机燃气发生器转速进行计算，并根据旋翼功率需求，采用动态匹配的方法，插值计算各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速（见步骤203）；

所述的旋翼模块（240），包括旋翼转速数据数组和旋翼转速计算程序，旋翼转速数据数组是根据旋翼转速与燃气发生器转速之间的数据关系表格建立的数据数组，旋翼转速计算程序根据发动机燃气发生器模块（230）插值计算的各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速以及对应发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效的设置，计算出动力系统通过功率轴提供的功率，并由运动方程模块计算的旋翼需求功率，通过旋翼转速数据数组解算出当前旋翼转速；

所述的运动方程模块（250），由质心动力学方程模块和运动学方程模块组成，利用通用的质心动力学方程和运动学方程模型（详见附件1），将座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和旋翼模块（240）的当前旋翼转速输入方程进行解算，得到多发动机的直升机飞行模拟器（100）的位置和姿态，经数据交换模块（210）送给座舱模拟分系统（120）、视景显示分系统（130）、教员控制台分系统（140）和运动模拟分系统（150）；

如图2所示，下面介绍多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）执行如下步骤：

步骤100，开始；

步骤101，初始化，完成以下内容：

①对多发动机的直升机飞行模拟器（100）所在机场、气象环境、风场环境以及直升机初始位置进行初始化；

②对多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）内部需要进行初始化的变量进行初始化；

步骤102，数据交换，数据交换模块（210）接收座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（130）的特情设置信号的数字离散量信息；座舱模拟分系统（120）通过局域网与数据交换模块（210）进行实时在线通信，完成数据交换，数据通信方式采用TCP/IP协议，保证多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）数据解算的实时性；

步骤103，数据处理，数据处理模块（220）将油门杆和总距杆的量程和对应指示值，通过插值处理的方法转换成对应行程物理量；

步骤104，发动机停车？是，执行步骤105，根据燃气发生器数据数组中发动机停车时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机停车动力系统计算1计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤106；

步骤106，发动机冷转？是，执行步骤107，根据燃气发生器数据数组中发动机冷转时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机冷转动力系统计算2计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤108；

步骤108，发动机参数计算，执行步骤109，根据燃气发生器数据数组中发动机起动工作时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机起动时动力系统计算3计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；

步骤110，退出？是，执行步骤111，程序结束；否，执行步骤102，实时在线循环执行步骤102~110，循环周期为10ms；

步骤111，结束。

如图3所示，下面介绍步骤108中发动机参数计算程序的子程序的流程：

步骤200，开始；

步骤201，发动机状态计算：根据发动机停车、冷转和起动信息，分别选择发动机停车动力系统计算1、发动机冷转动力系统计算2、发动机起动时动力系统计算3，三种计算方法一致，这里以步骤108中发动机起动时动力系统计算3为例进行介绍；

步骤202，接收特情故障信息：接收教员控制台分系统（140）传输的特情故障信息：单发动机停车、双发动机停车、燃油调节故障、尾桨失效；

步骤203，燃气发生器转速计算：

①根据燃气发生器数据数组中发动机燃气发生器转速变化规律，计算在不同高度、不同温度、不同飞行状态及座舱模拟分系统（120）操纵机构不同位置的情况下，发动机燃气发生器转速；

②根据动力系统特情故障信息，对发生故障的发动机按照发动机停车、燃油调节故障以及直升机尾桨失效进行处理，其余正常工作发动机按照直升机当前位置及飞行姿态的功率需求，由燃气发生器模块（230）对燃气发生器转速进行补偿计算，使正常工作的发动机输出的功率满足飞行要求，从而实现了多发动机燃气发生器转速的动态匹配计算；

步骤204，旋翼转速计算：根据燃气发生器模块（230）输出的燃气发生器转速计算出动力系统输出功率，由此计算直升机旋翼转速；

步骤205，计算直升机位置和姿态：根据旋翼转速及座舱模拟分系统（120）操纵机构位置，运动方程模块（250）根据动力学方程和运动学方程，计算直升机位置和姿态；

步骤206，退出？是，执行步骤207，程序结束；否，执行步骤201；

步骤207，程序结束。

如图4所示，下面介绍教员控制台分系统主控界面子程序的程序流程：

步骤300，开始；

步骤301，直升机位置初始化，通过对话框的方式，选择直升机模拟飞行所在的机场和起落点，对直升机位置进行初始化；

步骤302，气象条件设置：通过对话框的方式，选择模拟飞行气象条件；

步骤303，特情设置：通过对话框的方式，以点击选择的方式选择故障特情，包括发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；

步骤304，信息送主解算计算机（110），通过网络将初始化和设置信息送主解算计算机（110），供主解算计算机解算用；

步骤305，存储直升机位置姿态，将受主解算计算机实时解算的直升机位置和姿态信息，存储在教员控制台分系统（140）的主控界面计算机中，供飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示、飞行过程的记忆、冻结、解冻、训练过程的重放以及成绩评定。

步骤306，程序结束。

如图5所示，下面介绍步骤205中的运动方程模块250计算直升机位置和姿态的子程序的程序流程：

步骤400，开始；

步骤401，初始化，运动方程模块（250）接收步骤101中对直升机位置、姿态及大气环境初始化；

步骤402，气动系数计算：运动方程模块（250）根据直升机实时位置和姿态，计算直升机的升力系数、阻力系数、侧力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数、俯仰力矩系数；

步骤403，力和力矩计算：运动方程模块（250）根据步骤402气动系数计算结果以及步骤204旋翼转速计算结果，计算旋翼、尾桨、平尾、垂尾、起落架和机身的力和力矩；

步骤404，计算直升机位置和姿态，运动方程模块（250）通用直升机动力学和运动学方程（见附件1）计算直升机位置和姿态数据；

步骤405，飞行参数输出，将直升机位置和姿态数据输出到直升机飞行模拟器（100）的座舱模拟分系统（120）、视景显示分系统（130）、教员控制台分系统（140）以及运动模拟分系统（150），给飞行员逼真虚拟环境。

步骤406，程序结束。

附件1 通用的直升机动力学和运动学数学模型 ^[1]

1.直升机动力学方程

直升机在机体轴系上受到的合力如下：

其中:

：旋翼的气动力

：尾桨的气动力

：平尾的气动力

：垂尾的气动力

：起落架的气动力

：机身的气动力

：机身的重力

直升机在机体坐标系上受到的合力矩如下：

其中：

：旋翼的气动力矩

：旋翼的反作用力矩

：旋翼的桨毂力矩

：尾桨的气动力矩

：尾桨的反作用力矩

：平尾的气动力矩

：垂尾的气动力矩

：起落架的气动力矩

：机身的气动力矩

直升机在静止空气中飞行的质心动力学方程为：

则直升机加速度在机体坐标系中的分量为：

其中：

：直升机所受合外力到机体坐标系中的分量；

：直升机的总质量；

：飞行速度在机体坐标系中的分量；

：直升机角速度在机体坐标系中的分量。

对直升机绕质心的动力学方程：

其中：

：直升机所受合外力矩在机体坐标系中的分量。

直升机运动学方程

直升机的姿态通常由三个姿态角来确定，将三个姿态角速度方向向机体坐标系三个方向投影有：

　

其中：

——直升机俯仰角

——直升机航向角

——直升机滚转角

将直升机的机体速度投影到地面坐标系的速度：

参考文献：[1] 高正，陈仁良. 直升机飞行动力学. 北京:科学出版社.2003.4。

Claims (5)

1.一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于步骤和条件如下：包括多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）；多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）置于多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）中；多发动机的直升机飞行模拟器（100）各分系统间的通信通过以太网进行，采用TCP/IP协议，完成数据交换；

多发动机的直升机飞行模拟器(100)包括通过网卡链接的主解算计算机（110）、座舱模拟分系统(120)、视景显示分系统(130)、教员控制台分系统(140)和运动模拟分系统(150)；

主解算计算机（110）为一台PC计算机或工业控制计算机；

座舱模拟分系统（120）中包含模拟多发动机的直升机的座舱内操纵机构、仪表、多功能显示器、指示灯、开关、按钮以及一台负责采集以上设备信息的座舱模拟分系统计算机，座舱模拟分系统计算机为一台工业控制计算机，安装信号采集卡，通过网卡与飞行模拟器的各分系统进行网络通信；座舱内操纵机构包括均为多个油门杆、冷转按钮和起动按钮，分别控制多台发动机；机械联动的两个总距杆同时控制多台发动机；

视景显示分系统（130）包括视景数据库、成像子系统和显示子系统；为驾驶员提供逼真的舱外模拟景象，逼真地模拟各种气象条件下飞行时的多种空、地、海景象视觉效果以及多种空、地、海目标及其相对运动的动态效果；

视景数据库存储在成像子系统的专业图形工作站的硬盘中，包括陆地、海岸线、海洋景象、三维物体以及多种特殊效果在内的满足各种训练任务所需全彩色景象信息，视景数据库中不仅包含模型的几何信息，而且包含纹理、材质信息、灯光、细节层次LOD、模板、运动的高级特征信息；

成像子系统由一台专业图形工作站IDX-6000、三台迅腾5800图形工作站、一台UPS电源组成；IDX-6000图形工作站生成上视场三通道成像视景，两台迅腾5800图形工作站生成两个通道的下视场，一台迅腾5800图形工作站生成三方观察通道的视景；以DEM地形高程数据+卫星照片纹理+航片纹理的方式建立起来的视景数据库存储在专业图形工作站的硬盘中，成像计算机的实时管理与控制软件实时运行时，根据科目的不同预先调用相应的视景数据库，以TCP/IP协议通过1000M以太网络接受主解算计算机（110）传送过来的直升机视点位置姿态数据，实时生成模拟座舱外视景图像，送显示子系统显示输出，同时按照飞行姿态数据解算出当前直升机位置的相对于海平面的地形高度数据，通过网络传输给主解算计算机（110）；

显示子系统由球面反射镜作为大型准直镜、后投射屏和融合计算机组成，将视景子系统产生传输过来的视景图像拼接成一个无缝整体景象；

教员控制台分系统（140）是教员对模拟训练过程进行控制的操作台，包括主控界面计算机和主控界面程序，主控界面计算机上运行主控界面程序；主控界面程序实现飞行条件设置、特情设置、飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示；飞行过程的记忆、冻结、解冻；训练过程的重放以及成绩评定功能；

运动模拟分系统（150）包括六自由度平台运动子系统、座舱振动子系统和承载平台子系统三部分；

六自由度平台运动子系统提供包括直升机各种工作状态下的姿态及过载变化；

座舱振动子系统为模拟器座舱内的驾驶员提供高频低幅的振动感觉，用来真实地模拟在直升机飞行过程中包括起飞、着陆时驾驶员所感受到的由座舱传来的振动；

承载平台子系统安装在六自由度平台运动子系统平台的上平面上，用来安装显示子系统、座舱分系统和教员控制台分系统（140），设计上保证承载平台子系统具有足够的刚度和较轻的质量；

所述的多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）包括数据交换模块（210）、数据处理模块（220）、燃气发生器模块（230）、旋翼模块（240）、运动方程模块（250）；

所述的数据交换模块（210）是实时通过网络接收多发动机的直升机飞行模拟器（100）中的座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（140）的特情设置信号；①操纵机构采集信号包括每台发动机各自的油门杆、冷转按钮和起动按钮，以及两个机械联动总距杆的信息，座舱模拟分系统（120）通过电位器对油门杆位置、总距杆位置进行数字化转换，将模拟量转换成数字量，并进行归一化处理，形成在操纵机构操纵范围内为0~1变化的数字量，而起动按钮和冷转按钮通过座舱模拟分系统中计算机采集，将TTL电平转换成0或1变化的数字量，上述的数字量存储于座舱模拟分系统计算机中；②教员控制台分系统（140）的特情设置信号包括直升机飞行中发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；

所述的数据处理模块（220）是对数据交换模块（210）接收到的座舱模拟分系统（120）的数字量信号进行插值处理，根据操纵机构采集信号的油门杆、总距杆量程和对应指示值，将0~1的数字量通过插值处理的方法转换成对应行程物理量，具体对应为油门杆的位置度数、总距杆上下提动所对应的度数；

所述的燃气发生器模块（230），包括燃气发生器数据数组和燃气发生器计算程序，在燃气发生器计算程序中建立燃气发生器转速与温度、高度以及总距操纵位置的数据关系表格，存储于燃气发生器数据数组中；根据数据处理模块（220）对座舱模拟分系统（120）的插值处理后的数据及运动方程模块（250）解算出的当前多发动机的直升机飞行模拟器（100）的状态，通过燃气发生器计算程序对动力系统在停车、冷转、起动及空域飞行过程中各发动机燃气发生器转速进行计算，并根据旋翼功率需求，采用动态匹配的方法，插值计算各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速；

所述的旋翼模块（240），包括旋翼转速数据数组和旋翼转速计算程序，旋翼转速数据数组是根据旋翼转速与燃气发生器转速之间的数据关系表格建立的数据数组，旋翼转速计算程序根据发动机燃气发生器模块（230）插值计算的各发动机在当前工作状态下的燃气发生器转速以及对应发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效的设置，计算出动力系统通过功率轴提供的功率，并由运动方程模块计算的旋翼需求功率，通过旋翼转速数据数组解算出当前旋翼转速；

所述的运动方程模块（250），由质心动力学方程模块和运动学方程模块组成，利用通用的质心动力学方程和运动学方程模型，将座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和旋翼模块（240）的当前旋翼转速输入方程进行解算，得到多发动机的直升机飞行模拟器（100）的位置和姿态，经数据交换模块（210）送给座舱模拟分系统（120）、视景显示分系统（130）、教员控制台分系统（140）和运动模拟分系统（150）；

所述的多发动机的直升机飞行模拟器（100）的主解算计算机（110）执行如下步骤：

步骤100，开始；

步骤101，初始化，完成以下内容：

①对多发动机的直升机飞行模拟器（100）所在机场、气象环境、风场环境以及直升机初始位置进行初始化；

②对多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）内部需要进行初始化的变量进行初始化；

步骤102，数据交换，数据交换模块（210）接收座舱模拟分系统（120）的操纵机构采集信号和教员控制台分系统（130）的特情设置信号的数字离散量信息；座舱模拟分系统（120）通过局域网与数据交换模块（210）进行实时在线通信，完成数据交换，数据通信方式采用TCP/IP协议，保证多发动机的直升机飞行模拟器（100）和多发动机的直升机动力系统动态匹配的仿真控制程序（200）数据解算的实时性；

步骤103，数据处理，数据处理模块（220）将油门杆和总距杆的量程和对应指示值，通过插值处理的方法转换成对应行程物理量；

步骤104，发动机停车？是，执行步骤105，根据燃气发生器数据数组中发动机停车时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机停车动力系统计算1计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤106；

步骤106，发动机冷转？是，执行步骤107，根据燃气发生器数据数组中发动机冷转时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机冷转动力系统计算2计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；否，执行步骤108；

步骤108，发动机参数计算，执行步骤109，根据燃气发生器数据数组中发动机起动工作时燃气发生器转速变化规律和旋翼转速数据数组中旋翼转速变化规律，由燃气发生器模块（230）和旋翼模块（240）中发动机起动时动力系统计算3计算发动机燃气发生器转速和旋翼转速；

步骤110，退出？是，执行步骤111，结束；否，执行步骤102，实时在线循环执行步骤102~110，循环周期为10ms；

步骤111，结束。

2.如权利要求1所述的一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于，所述的步骤108中发动机参数计算的步骤如下：

步骤200，开始；

步骤201，发动机状态计算：根据发动机停车、冷转和起动信息，分别选择发动机停车动力系统计算1、发动机冷转动力系统计算2、发动机起动时动力系统计算3，三种计算方法一致，这里以步骤108中发动机起动时动力系统计算3为例进行介绍；

步骤202，接收特情故障信息：接收教员控制台分系统（140）传输的特情故障信息：单发动机停车、双发动机停车、燃油调节故障、尾桨失效；

步骤203，燃气发生器转速计算：

①根据燃气发生器数据数组中发动机燃气发生器转速变化规律，计算在不同高度、不同温度、不同飞行状态及座舱模拟分系统（120）操纵机构不同位置的情况下，发动机燃气发生器转速；

②根据动力系统特情故障信息，对发生故障的发动机按照发动机停车、燃油调节故障以及直升机尾桨失效进行处理，其余正常工作发动机按照直升机当前位置及飞行姿态的功率需求，由燃气发生器模块（230）对燃气发生器转速进行补偿计算，使正常工作的发动机输出的功率满足飞行要求，从而实现了多发动机燃气发生器转速的动态匹配计算；

步骤204，旋翼转速计算：根据燃气发生器模块（230）输出的燃气发生器转速计算出动力系统输出功率，由此计算直升机旋翼转速；

步骤205，计算直升机位置和姿态：根据旋翼转速及座舱模拟分系统（120）操纵机构位置，运动方程模块（250）根据动力学方程和运动学方程，计算直升机位置和姿态；

步骤206，退出？是，执行步骤207，结束；否，执行步骤201；

步骤207，结束。

3.如权利要求1所述的一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于，所述的教员控制台分系统主控界面的信息处理步骤如下：

步骤300，开始；

步骤301，直升机位置初始化，通过对话框的方式，选择直升机模拟飞行所在的机场和起落点，对直升机位置进行初始化；

步骤302，气象条件设置：通过对话框的方式，选择模拟飞行气象条件；

步骤303，特情设置：通过对话框的方式，以点击选择的方式选择故障特情，包括发动机停车、燃油调节故障和尾桨失效，其中发动机停车包括单发动停车和双发动机停车；

步骤304，信息送主解算计算机（110），通过网络将初始化和设置信息送主解算计算机（110），供主解算计算机解算用；

步骤305，存储直升机位置姿态，将受主解算计算机实时解算的直升机位置和姿态信息，存储在教员控制台分系统（140）的主控界面计算机中，供飞行参数显示、飞行轨迹的二维和三维显示、飞行过程的记忆、冻结、解冻、训练过程的重放以及成绩评定；

步骤306，结束。

4.如权利要求1所述的一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于，所述的运动方程模块250计算直升机位置和姿态的步骤如下：

步骤401，初始化，运动方程模块（250）接收步骤101中对直升机位置、姿态及大气环境初始化；

步骤402，气动系数计算：运动方程模块（250）根据直升机实时位置和姿态，计算直升机的升力系数、阻力系数、侧力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数、俯仰力矩系数；

步骤403，力和力矩计算：运动方程模块（250）根据步骤402气动系数计算结果以及步骤204旋翼转速计算结果，计算旋翼、尾桨、平尾、垂尾、起落架和机身的力和力矩；

步骤404，计算直升机位置和姿态，运动方程模块（250）通用直升机动力学和运动学方程（见附件1）计算直升机位置和姿态数据；

步骤405，飞行参数输出，将直升机位置和姿态数据输出到直升机飞行模拟器（100）的座舱模拟分系统（120）、视景显示分系统（130）、教员控制台分系统（140）以及运动模拟分系统（150），给飞行员逼真虚拟环境；

步骤406，结束。

5.如权利要求1所述的一种直升机动力系统动态匹配的仿真方法，其特征在于，所述的教员控制台分系统（140）的主控界面计算机的主频不低于1GHz，内存不低于512MB，显卡为Geforce6600，显存256M，硬盘不少于20GB，光驱40倍速以上。