CN108090257B - 一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，属于飞机设计技术领域。本发明通过充分研究螺旋桨的运动原理、飞鸟与飞机之间相对运动关系，确定飞鸟穿越螺旋桨撞击风挡的时机，提出一套适用于飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法。通过该方法能合理、清晰直观地获得飞鸟越过螺旋桨撞击风挡的概率，从而为螺旋桨飞机桨叶的设计提供安全、合理的依据，提高飞机飞行的安全性。

Description

一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法

技术领域

本发明涉及一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，属于飞机设计技术领域。

背景技术

飞机在低空高速飞行时极易发生与飞鸟相撞事故。从1976年3月到1986年3月，美国空军飞机就发生鸟撞飞机风挡事故2721次，其中109次座舱玻璃被击穿。鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一，国际航空联合会已把鸟撞定为“A”类航空灾难。对于座舱风挡前方有螺旋桨的飞机，飞鸟越过螺旋桨撞击风挡存在一定的概率，从某种程度上高速转动的螺旋桨有阻隔飞鸟，对风挡起到保护的作用。一般情况下，飞鸟越桨概率越小，飞机抗鸟撞安全系数越高。

从已公开的文献来看，目前航空设计领域缺乏一种科学、可行的评估飞鸟越桨撞击风挡概率的方法，并且飞鸟越过桨叶撞击风挡的概率受风挡前方桨叶数目、桨叶外形参数、桨叶转速等多重因素的影响，更增加了这种概率评估的难度，因此建立科学、合理的数学评估模型和工程评估方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于通过充分研究螺旋桨的运动原理、飞鸟与飞机之间相对运动关系，确定飞鸟穿越螺旋桨撞击风挡的时机，提出一套适用于飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，该方法的步骤为：

第一步，分析飞鸟越桨撞击风挡的事件时机，为后续建立模型打下技术基础；

通过充分研究螺旋桨的运动原理、飞鸟与飞机之间相对运动关系，获得事件发生的充要条件；

第二步，建立飞鸟越桨时间模型；通过第一步的分析，确定事件成立的充要条件是基于飞鸟越桨时间和桨叶旋转一周时间的大小关系，因此在建立了鸟体和桨叶模型之后，需研究建立飞鸟越桨时间的数学模型；

第三步，建立桨叶旋转一周时间模型；

第四步，建立点事件发生概率模型；基于第二步和第三步的结果，建立在风挡的一点处鸟撞概率模型；

第五步，建立面事件发生概率模型，完成飞鸟越桨撞击风挡概率的计算评估；通过微积分、体积法数学手段构建整个风挡的鸟撞概率模型，即完成飞鸟越过螺旋桨撞击风挡的概率评估。

进一步的，第一步中：分析飞鸟越桨撞击风挡的时机，为后续建立模型打下技术基础；

从螺旋桨的运动特性可知，每片桨叶都会周期性地经过空间某个固定的的点；设定风挡的垂直投影面为δ，对于前方飞来的鸟，只有通过δ面上的任一点，记为i点才有可能穿越螺旋桨撞上风挡，因此设定飞鸟来自风挡正前方，分析飞鸟越桨撞风挡的概率；

考虑i点处的鸟可以穿越桨叶，需要鸟越桨的时间t_i小于桨叶旋转一周的时间T_i，意味着t_i<T_i是位于i点的鸟穿越桨叶的充要条件；

只要获得δ面上各i点t_i<T_i的概率P_i，再以i为变量进行积分即可获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P。

进一步的，第二步中，建立鸟越桨时间模型；

1)鸟体模型的说明：鸟被模型化为一个圆柱；

2)桨叶模型的说明：设定螺旋桨桨叶数目为n，并记螺旋桨转速为ω；

由上述对鸟体模型和桨叶模型的说明，在i点处飞鸟穿越桨叶的时间为

式中：l_i——桨叶剖面弦线在水平面的投影；θ_i——i点处桨叶剖面的桨叶角；L——鸟体的当量长度；V——鸟和飞机的相对飞行速度。

进一步的，第三步中，建立桨叶旋转一周时间模型；

基于第二步对鸟体模型和桨叶模型的说明，得知位于i点的桨叶旋转一周时间为

式中：r_i——i点距离桨毂的长度；v_i——桨叶i点处的线速度；D——鸟体的当量直径。

进一步的，第四步中，建立点事件发生概率P_i模型；

根据第一步获得的事件成立充要条件以及第二、第三步建立的数学模型，得从i点前方来的飞鸟越桨撞击风挡的概率为

上式中，当T_i≤t_i时，概率P_i均为0；当T_i＞t_i时，将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，得到

进一步的，第五步中，建立面事件发生概率P模型，完成飞鸟越桨撞击风挡概率的计算评估；

采用体积法借助微积分手段对风挡正前方的鸟越桨概率P进行求解；首先设定风挡的垂直投影面为δ，然后建立一个立体模型，以δ为下底面，上底面的投影面与下底面重合，且与下底面的高度由第四步获得的位于i点处的飞鸟越桨撞击风挡的概率P_i组成，得知上底面应为一个曲面，采用体积法可以将飞鸟越桨概率P表示为

将公式(4)代入公式(5)，可最终获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P如下：

本发明的有益效果：

本发明通过充分研究螺旋桨的运动原理、飞鸟与飞机之间相对运动原理以及飞鸟穿越螺旋桨撞击风挡时机，构建飞鸟和螺旋桨的数学模型及飞鸟穿越螺旋桨撞击风挡事件成立的模型，在此基础上利用微积分、体积法等数学手段建立飞鸟越过螺旋桨的概率模型，从而提出一套适用于飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法。该方法总结为几个工程公式，公式中的参数均可通过选定的螺旋桨特性、飞鸟尺寸及飞机与飞鸟的相对速度获得。通过该方法能合理、清晰直观地获得飞鸟越过螺旋桨撞击风挡的概率，从而为螺旋桨飞机桨叶的设计提供安全、合理的依据，提高飞机飞行的安全性。

附图说明

图1是鸟体的数学模型；

图2是桨叶在i点处的桨叶剖面；

图中：L——鸟体的当量长度；D——鸟体的当量直径；α——桨叶剖面；β——桨叶剖面在水平面的投影面；θ_i——i点处桨叶剖面的桨叶角；l_i——桨叶剖面弦线在水平面的投影；r_i——i点距离桨毂的长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述：

第一步，分析飞鸟越桨撞击风挡(下文称为事件)的时机，为后续建立模型打下技术基础。

从螺旋桨的运动特性可知，每片桨叶都会周期性地经过空间某个固定的的点。假定风挡的垂直投影面为δ，对于前方飞来的鸟，只有通过δ面上的任一点，记为i点才有可能穿越螺旋桨撞上风挡，因此设定飞鸟来自风挡正前方，分析飞鸟越桨撞风挡的概率。考虑i点处的鸟可以穿越桨叶，需要鸟越桨的时间t_i小于桨叶旋转一周的时间T_i，意味着t_i<T_i是位于i点的鸟穿越桨叶的充要条件。只要获得δ面上各i点t_i<T_i的概率P_i，再以i为变量进行积分即可获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P。

第二步，建立鸟越桨时间模型。

3)鸟体模型的说明

国内外对鸟撞击风挡进行了大量的试验研究，总结了鸟可被模型化为一个圆柱，如图1所示。

4)桨叶模型的说明

设定螺旋桨桨叶数目为n，并记螺旋桨转速为ω，桨叶其他相关参数如图2所示。

由上述对鸟体模型和桨叶模型的说明，可知在i点处飞鸟穿越桨叶的时间为

式中：V——鸟和飞机的相对飞行速度。

第三步，建立桨叶旋转一周时间模型。

基于第二步对鸟体模型和桨叶模型的说明，可知位于i点的桨叶旋转一周时间为

式中：v_i——桨叶i点处的线速度。

第四步，建立点事件发生概率P_i模型。

根据第一步获得的事件成立充要条件以及第二、第三步建立的数学模型，可得从i点前方来的飞鸟越桨撞击风挡的概率为

上式中，当T_i≤t_i时，概率P_i均为0。当T_i＞t_i时，将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，得到

第五步，建立面事件发生概率P模型，完成飞鸟越桨撞击风挡概率的计算评估。

采用体积法借助微积分手段对风挡正前方的鸟越桨概率P进行求解。首先设定风挡的垂直投影面为δ，然后建立一个立体模型，以δ为下底面，上底面的投影面与下底面重合，且与下底面的高度由第四步获得的位于i点处的飞鸟越桨撞击风挡的概率P_i组成，可知上底面应为一个曲面，采用体积法可以将飞鸟越桨概率P表示为

将公式(4)代入公式(5)，可最终获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P如下

具体实例计算：以某机型A为例，D＝L/2＝0.2m，w＝35r/s，n＝3，V＝55m/s，通过飞鸟越桨撞击风挡的概率计算公式(6)，代入相关计算参数，即可计算出机型A的飞鸟越桨撞击风挡的概率值为5.85％。

Claims (6)

1.一种飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于该方法的步骤为：

第一步，分析飞鸟越桨撞击风挡的事件时机，为后续建立模型打下技术基础；

通过充分研究螺旋桨的运动原理、飞鸟与飞机之间相对运动关系，获得事件发生的充要条件；

第二步，建立飞鸟越桨时间模型；通过第一步的分析，确定事件成立的充要条件是基于飞鸟越桨时间和桨叶旋转一周时间的大小关系，因此在建立了鸟体和桨叶模型之后，需研究建立飞鸟越桨时间的数学模型；

第三步，建立桨叶旋转一周时间模型；

第四步，建立点事件发生概率模型；基于第二步和第三步的结果，建立在风挡的一点处鸟撞概率模型；

第五步，建立面事件发生概率模型，完成飞鸟越桨撞击风挡概率的计算评估；通过微积分、体积法数学手段构建整个风挡的鸟撞概率模型，即完成飞鸟越过螺旋桨撞击风挡的概率评估。

2.根据权利要求1所述的飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于：

第一步中：分析飞鸟越桨撞击风挡的时机，为后续建立模型打下技术基础；

从螺旋桨的运动特性可知，每片桨叶都会周期性地经过空间某个固定的的点；设定风挡的垂直投影面为δ，对于前方飞来的鸟，只有通过δ面上的任一点，记为i点才有可能穿越螺旋桨撞上风挡，因此设定飞鸟来自风挡正前方，分析飞鸟越桨撞风挡的概率；

考虑i点处的鸟可以穿越桨叶，需要鸟越桨的时间t_i小于桨叶旋转一周的时间T_i，意味着t_i<T_i是位于i点的鸟穿越桨叶的充要条件；

只要获得δ面上各i点t_i<T_i的概率P_i，再以i为变量进行积分即可获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P。

3.根据权利要求1所述的飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于：

第二步中，建立鸟越桨时间模型；

1)鸟体模型的说明：鸟被模型化为一个圆柱；

2)桨叶模型的说明：设定螺旋桨桨叶数目为n，并记螺旋桨转速为ω；

由上述对鸟体模型和桨叶模型的说明，在i点处飞鸟穿越桨叶的时间为

式中：l_i——桨叶剖面弦线在水平面的投影；θ_i——i点处桨叶剖面的桨叶角；L——鸟体的当量长度；V——鸟和飞机的相对飞行速度。

4.根据权利要求1所述的飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于：

第三步中，建立桨叶旋转一周时间模型；

基于第二步对鸟体模型和桨叶模型的说明，得知位于i点的桨叶旋转一周时间为

式中：r_i——i点距离桨毂的长度；v_i——桨叶i点处的线速度；D——鸟体的当量直径。

5.根据权利要求1所述的飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于：

第四步中，建立点事件发生概率P_i模型；

根据第一步获得的事件成立充要条件以及第二、第三步建立的数学模型，得从i点前方来的飞鸟越桨撞击风挡的概率为

上式中，当T_i≤t_i时，概率P_i均为0；当T_i＞t_i时，将公式(1)和公式(2)代入公式(3)，得到

6.根据权利要求1所述的飞鸟越桨撞击风挡概率的评估方法，其特征在于：

第五步中，建立面事件发生概率P模型，完成飞鸟越桨撞击风挡概率的计算评估；

采用体积法借助微积分手段对风挡正前方的鸟越桨概率P进行求解；首先设定风挡的垂直投影面为δ，然后建立一个立体模型，以δ为下底面，上底面的投影面与下底面重合，且与下底面的高度由第四步获得的位于i点处的飞鸟越桨撞击风挡的概率P_i组成，得知上底面应为一个曲面，采用体积法可以将飞鸟越桨概率P表示为

将公式(4)代入公式(5)，可最终获得飞鸟越桨撞击风挡的概率P如下：

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