CN109767518A - 基于机翼结冰厚度确定气象参数mvd的反推方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD的反推方法，涉及飞机结冰冰形预测与探测技术领域，能够在飞行状态下，不改变机翼外型结构，实时探测气象参数MVD，并应用于飞机结冰适航认证，探测满足要求的结冰环境条件。本发明包括：根据液态水含量LWC、平均有效水滴直径MVD与周围空气温度T三者的关系，计算不同飞行条件下的结冰情况，建立冰厚度随时间变化的结冰厚度数据库；由实时提供的飞行条件、温度T以及结冰厚度随时间变化的h‑t曲线，采用定修正系数反距离加权插值算法进行时间‑冰厚度插值计算并计算标准差，由最小二乘法确定反推最优MVD值。本发明精度较高，误差较小，可实现实时测量，为结冰适航认证提供有效可靠的技术支持，应用前景可观。

Description

基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD的反推方法

技术领域

本发明涉及飞机结冰冰形预测与探测技术领域，尤其涉及基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD的反推方法。

背景技术

飞机在穿越过冷水滴云层时，会发生机翼结冰现象，飞机的结构外型改变，气动性能下降。实时准确地探测结冰环境参数，有利于选取恰当的时机开启或关闭防除冰保护，达到节能的目的。另外，在飞机结冰适航认证中，对于大气结冰测试环境有一定的要求，大气环境的多变性往往为适航认证造成了很大的困难，不易产生相应的测试环境。

现有技术中提供的测试环境,往往较为单一缺少变化,或者与实际情况中的大气环境不尽相符。因此,现有技术中缺乏一种方法,能够实时精确地探测大气结冰环境参数有利于搜寻并提供符合测试条件的结冰环境，为目前采用的先行飞机喷水营造过冷水滴，供后行飞机结冰的适航认证测试方法提供有效可靠的技术手段。

发明内容

本发明提供了基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD(Median VolumetricDiameter平均有效水滴直径)的反推方法，能够在飞行状态下，不改变机翼外型结构，实时探测气象参数MVD，并应用于飞机结冰适航认证，探测满足要求的结冰环境条件。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD的反推方法，包括：

S1、根据《中国运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]》附录C列出的LWC(LiquidWater Content液态水含量)、MVD与温度T的关系，以及飞行参数，设置不同的结冰条件；

S2、计算结冰条件所对应的结冰冰形，从而得到测试点的法向冰厚度随时间变化的曲线图，建立机翼的冰厚度数据库；

S3、将需要反推MVD的结冰参数温度T、飞行速度V、飞行攻角O，以及当前飞行状态下冰厚度随时间的实时变化曲线，输入冰厚度数据库；

S4、假设某一平均有效水滴直径MVD_i’，i为正整数，采用定修正系数IDW插值算法，以冰厚度数据库数据作为样本点，插值计算得到当前飞行状态下的冰厚度随时间的插值变化曲线，循环S4，得到i所有取值下，MVD_i’对应的插值变化曲线；

S5、计算各个插值变化曲线与实时变化曲线的标准差D2_i；

S6、采用最小二乘法原理，遍历得到最小D2_i所对应的MVD_i’，标记为反推最优MVD值。

本发明的有益效果是：

本发明采用了计算大量不同结冰条件下的机翼结冰情况，建立冰厚度数据库，根据飞行攻角O、飞行速度V、温度T以及实时结冰厚度变化h-t曲线，采用定修正系数IDW插值算法进行时间-冰厚度插值计算并计算标准差，由最小二乘法确定反推最优MVD值，本发明提出的方法精度高，误差小，可实现实时测量，为结冰适航认证提供有效可靠的技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是[CCAR-25-R4]附录C中的LWC与温度T、MVD三者的关系；

图2是编号为O1V1T1M1结冰条件下的冰形；

图3是编号为O0系列结冰条件下的冰厚度；

图4是编号为O1系列结冰条件下的冰厚度；

图5是编号为O2系列结冰条件下的冰厚度；

图6是编号为O3系列结冰条件下的冰厚度。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供了基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD(Median VolumetricDiameter平均有效水滴直径)的反推方法，包括：

S1、根据《中国运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]》附录C列出的LWC(LiquidWater Content液态水含量)、MVD与温度T的关系，以及飞行参数，设置不同的结冰条件。

本实施例以NACA0012二维翼型为例，厚度测量点为下缘弦长的5‰，弦长c＝0.5m，飞行高度为2km，总结冰时间为120s，单步结冰时间为15s，设置的结冰条件如下表：

表1.数据库样本结冰条件

攻角O、速度V、温度T、MVD四个变量相互组合，共计700个结冰条件。上表中LWC并未给出，根据《中国运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]》附录C中LWC、MVD与温度T三者的关系，如图1所示，LWC可由温度T与MVD查图得出。

S2、计算上述700个结冰条件下的冰形，将弦长归一化，图2是编号为O1V1T1M1结冰条件下的冰形。对每一个冰形记录下缘点包括初始时间在内的每个单步结冰时间的法向厚度，建立结冰数据库，内含MVD、攻角O、飞行速度V、温度T信息以及6300条时间-冰厚度数据对，编号为O0、O1、O2、O3系列结冰条件下的冰厚度如图3～6所示。

S3、将需要反推MVD的结冰参数温度T、飞行速度V、攻角O，以及当前飞行状态下冰厚度随时间的实时h-t曲线，输入冰厚度数据库，；

S4、在数据库的MVD范围内，假设某一平均有效水滴直径MVD_i’，i为正整数，采用定修正系数IDW(Inverse Distance Weight反距离加权)插值算法，令初始MVD_i’为数据库MVD下限，采用以下两式插值计算实时h-t数据对中t_j时刻的假设冰厚度h_j’：

上式中，MVD、O、V、T、t_j、h_j’、h_k、d_k分别表示平均有效水滴直径、飞行攻角、飞行速度、温度、实时h-t数据对中的时间、假设冰厚度、数据库中插值样本的冰厚度、插值距离，Δ表示相应的变化量，下标k和j分别为冰厚度数据库中的变量指标和实时h-t数据对的变量指标，i，j，k为正整数。(1)式中分子为1的分数即为对应变量的系数，数据库中各变量最小区间间隔的平方即为系数的分母，数据库确定，则各变量的系数确定。(2)式采用的是5次距离IDW插值，假设冰厚度h_j’的插值过程实际上只用了数据库中的32条数据对，若V、O、T、MVD_i’、t_j这5个插值输入变量均非数据库中的样本值，则这32条数据对的共同特征是单条数据中的5个变量中的4个变量与对应的插值输入变量相同，只有1个变量不同，且这一变量取对应的插值输入变量在数据库中的所处的最小区间的上下限，共计2的5次方，即32条数据对，若5个插值输入变量中有某个变量与数据库中的变量样本值相同，则该条数据对使用两次。j指标遍历完成后，获得假设MVD_i’下的插值变化h’-t曲线。

S5、计算插值变化h’-t曲线与实时变化h-t曲线的标准差D2_i，统计标准差公式如下：

(3)中j遍历的终点是截至当前时刻已获得的冰厚度数据量。给假设的MVD_i’一增量d(MVD)，重复上述插值过程，得到相应的标准差D2_i+1，遍历假设的MVD_i’，得到一系列标准差D2_i。

S6、采用最小二乘法原理，遍历得到最小D2_i所对应的MVD_i’，标记为反推最优MVD值。

为验证本方法的有效性和准确性，设置如下9种非数据库样本结冰条件进行测试：

表2.验证测试结冰条件

测试结果如下表：

表3.验证测试结果

由上表可知反推出的MVD值比较准确，误差较小，本方法所得结果有效可靠。

本发明可应用于二维或三维问题，亦可应用于多点测量冰厚度确定MVD的情形，从而提高本发明的可靠性与准确性。

本发明的有益效果是：

本发明采用了计算大量不同结冰条件下的机翼结冰情况，建立冰厚度数据库，根据飞行攻角O、飞行速度V、温度T以及实时结冰厚度变化h-t曲线，采用定修正系数IDW插值算法进行时间-冰厚度插值计算并计算标准差，由最小二乘法确定反推最优MVD值，本发明提出的方法精度高，误差小，可实现实时测量，为结冰适航认证提供有效可靠的技术支持。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.基于机翼结冰厚度确定气象参数MVD的反推方法，其特征在于，包括：计算大量不同结冰条件下的机翼结冰情况，建立冰厚度数据库，根据飞行攻角O、飞行速度V、温度T以及结冰厚度变化h-t曲线，采用定修正系数IDW(Inverse Distance Weight反距离加权)插值算法进行时间-冰厚度插值计算并计算标准差，由最小二乘法确定反推最优MVD值(MedianVolumetric Diameter平均有效水滴直径)，具体步骤为：

S1、根据《中国运输类飞机适航标准[CCAR-25-R4]》附录C列出的LWC(Liquid WaterContent液态水含量)、MVD与温度T的关系，以及飞行参数，设置不同的结冰条件；

S2、计算所述结冰条件所对应的结冰冰形，从而得到各时间步下的，所述冰形上测试点的法向厚度随时间变化的曲线图，得到机翼的冰厚度数据库；

S3、将需要反推MVD的结冰参数温度T、飞行速度V、飞行攻角O，以及当前飞行状态下冰厚度随时间的实时变化曲线，输入所述冰厚度数据库；

S4、假设某一平均有效水滴直径MVD_i’，i为正整数，采用定修正系数IDW插值算法，以所述冰厚度数据库数据作为样本点，插值计算得到当前飞行状态下的冰厚度随时间的插值变化曲线，循环S4，得到i所有取值下，MVD_i’对应的所有所述插值变化曲线；

S5、计算各个所述插值变化曲线与所述实时变化曲线的标准差D2_i；

S6、采用最小二乘法原理，遍历得到最小D2_i所对应的MVD_i’，标记为反推最优MVD值。