CN110633453A - 一种大气参数计算及空速转换程序计算方法 - Google Patents

Abstract

一种大气参数计算方法，有一个与计算程序关联的计算界面，计算界面设有大气参数计算区、空速转换区和功能区，所述的大气参数计算区包括已知参数框和求解参数框，所述的空速转换区包括真速框、校正空速框与当量空速框；所述的功能区设有计算按钮，该计算按钮用于向计算程序发布计算指令；向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，再在空速转换区输入任一空速值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应的温度、压力、音速与密度值，同时在空速转换区相应显示其他对应的空速值。

Description

一种大气参数计算及空速转换程序计算方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，具体涉及大气参数计算及给定大气条件下空速转换。

背景技术

国际标准大气(ISA)是特定的大气模型，该模型给出了高度、温度、气压和密度之间的函数关系，广泛应用于飞机、导弹、航天器的性能计算。航天系统、任务规划系统与飞机设计部门也通常采用国际标准大气模型。国际标准大气模型是根据北半球空气数据进行长时间研究所得的平均数据建立，且常作为一个基准，用于比较真实大气条件(通常为非标准大气)和相应发动机的性能。真实大气在给定的高度下可以被表示为ISA±△ISA(例如：ISA+10)。准确计算出国际标准大气与非标准大气的具体参数对于飞行器设计至关重要。

国际标准大气的基础是海平面温度15℃，气压101.325Kpa，海平面空气标准密度为1.225kg/m3。对流层顶以下(通常为11000米)，高度每增加1000 米，温度降低6.5℃；对流层顶以上，温度恒定为-56.5℃。气压仅与高度有关且随着高度增加而降低。密度与气压和温度有关，由于气压仅是高度的函数，因此密度也仅与高度跟温度相关。当温度不变时，密度随着高度增加而降低；当高度不变时，密度随着温度增加而降低。马赫数通过真空速除以当地音速得到，当地音速与大气的温度有关。

飞行员操纵飞机时,经常用到给定大气条件下真空速、校正空速与当量空速，例如，高度为10000米时、温度为ISA+10、校正空速为560km/h时，对应的马赫数与当量空速。真空速是气流相对空气气团的速度，真空速经过风速修正后，可以得到地速，而地速在导航中具有重要意义。当量空速在真空速基础上除以当前密度与标准海平面密度根号比得到，相同的当量空速等效于相同的动压，当量空速在飞行器载荷设计与强度设计方面十分重要。校正空速将空速管测量得到的动压转换到标准海平面上，相同的校正空速具有相同的空气动力效应。准确计算出给定大气参数下，真空速、校正空速与当量空速在操作飞机时具有重要意义。

大气参数计算及给定大气条件下空速之间的转换涉及复杂、冗长的计算，难以通过手算方式完成。尽管各国政府机构已经将标准大气用数表形式表示出来，并予以出版。但是通过查表的方式只能得到标准大气的参数数据，耗费大量时间，对于一些非整数的高度值，需要插值处理，效率低下。对于非标准大气，需要进行转换，使用起来非常不便。各空速之间的转换虽然可以通过EXCEl 编辑公式实现，但是真空速、当量空速与校正空速均可以作为输入，因此需要编辑三套公式，实现分别以真空速、当量空速与校正空速作为数据输入的空速转换功能。且同一空速有不同的单位，例如真空速的单位有m/s、km/h及M数，如果Excel中以m/s作为输入，需要提前将以km/h与Ma数为单位的空速进行单位转换。

而实际应用中，经常需要计算大气参数或给定条件下的空速值。由于计算复杂，无法及时给出计算结果。此外，飞行员多次表示，希望开发出一款可以在移动便携设备(手机、平板电脑)上使用的软件，可以快速准确地计算出大气参数与空速值。飞行员在规划和执行飞行任务时，可以迅速得到需要的数据，甚至在一定程度上提升了战斗力。

基于上述原因，迫切需要一种简洁、高效、逻辑设置合理的大气参数计算及空速转换程序计算方法。以该计算方法编制计算程序时，界面简洁直观，可以方便准确地得到大气参数与空速值。

发明目的

为了方便用户使用、保证计算精度，本申请提供一种大气参数计算及空速转换计算方法。

一种大气参数计算方法，其特征在于包含以下内容：1)有一个计算程序，该计算程序可以根据国际标准大气模型，实现标准大气与非标准大气的参数求解以及非标准大气参数条件下空速值之间的转换；2)有一个与计算程序关联的计算界面，所述的计算界面设有大气参数计算区、空速转换区和功能区，所述的大气参数计算区包括已知参数框和求解参数框，已知参数框用来输入已知数据，包括高度框、温度框，所述的求解参数框用来显示压力、音速与密度的计算结果；所述的空速转换区包括真速框、校正空速框与当量空速框；所述的功能区设有计算按钮，该计算按钮用于向计算程序发布计算指令；3)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应压力、音速与密度值；4)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，再在空速转换区输入任一空速值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应的温度、压力、音速与密度值，同时在空速转换区相应显示其他对应的空速值。

在计算界面左上有“大气参数计算器”字符。

所述的温度框有两个，一个是外界温度框，一个是与标准大气的温差框。

所述的求解参数框设有两个压力显示框，分别显示以千帕为单位的压力与以毫米汞柱为单位的压力；

所述的参数求解框设有两个音速显示框，分别显示以米/秒为单位的音速和以千米/小时为单位的音速；

所述的空速转换区有三个真速显示框，分别显示以米/秒为单位的真速，以千米/小时为单位的真速及马赫数；

所述的空速转换区有两个校正空速显示框，分别显示以米/秒为单位的校正空速及以千米/小时为单位的校正空速；

所述的空速转换区有两个当量空速显示框，分别显示以米/秒为单位的当量空速及以千米/小时为单位的当量空速；

在功能区有清零按钮，按压清零按钮，大气参数计算区的高度框中的高度值为0，与标准大气的温差框中的温差值为0，外界温度框中的温度值为0，求解参数框则显示标准海平面条件下的大气参数值，空速转换区中的空速为0；

在大气参数计算区与空速转换区，在已知参数框、求解参数框和空速框上面有对该框口进行描述说明的文字；

如果没有在高度框输入高度值，按压计算按钮，将会弹出提示对话框，提醒用户输入高度值；如果用户在高度框输入高度值后，既没有在与标准大气温差框输入温差值也没有在外界温度框输入外界温度值，按压计算按钮，将会弹出提示对话框，提醒用户输入温度值；如果用户在高度框输入高度值后，在温度框输入温度值后，在空速转换区中的任一空速框输入负的空速值，按压计算按钮后，将会弹出提示框，提醒用户输入的速度为负值、无意义；如果用户点击安卓设备上的虚拟退出按钮后，将会弹出对话框，显示“再按一次退出程序”，如果此时继续点击虚拟退出按钮后，程序将会退出。

本申请的有益效果在于：本文提出的大气参数与空速转换计算方法，逻辑合理、细节到位、能以最小的变量(控件)数，完成需要实现的功能。编制计算程序后，将大气参数求解与空速转化过程中涉及的复杂计算交给计算程序完成，节省了大量时间，避免了人为错误，提升了工作质量。设计人员可不受时间、地点的限制给出大气参数，高效快捷地解决日常实际问题，提高了工作效率。本申请涉及的计算软件可以植入手机、平板电脑等安卓设备上，其计算界面可作为人机交互界面，通过多次测试，具有很高的计算精度。值得广泛地应用和推广，特别适合飞机设计部门日常工作、试飞局和部队飞行员飞行操纵与外场协调等工作中使用。

以下结合实例附图对本申请做进一步详细说明。

附图说明

图1是计算界面布局示意图。

图2是大气参数求解与空速转换算法流程图。

图3是再次计算时大气参数计算方法流程图。

图4是再次计算时空速转换算法流程图。

具体实施方式

本申请的大气参数计算方法，包含以下内容：1)有一个计算程序，该计算程序可以根据国际标准大气模型，实现标准大气与非标准大气的参数求解以及非标准大气参数条件下空速值之间的转换；2)有一个与计算程序关联的计算界面，所述的计算界面设有大气参数计算区、空速转换区和功能区，所述的大气参数计算区包括已知参数框和求解参数框，已知参数框用来输入已知数据，包括高度框、温度框，所述的求解参数框用来显示压力、音速与密度的计算结果；所述的空速转换区包括真速框、校正空速框与当量空速框；所述的功能区设有计算按钮，该计算按钮用于向计算程序发布计算指令；3)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应压力、音速与密度值；4)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，再在空速转换区输入任一空速值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应的温度、压力、音速与密度值，同时在空速转换区相应显示其他对应的空速值。

为了实现标准大气与非标准大气计算，温度应该有两种输入方式，一种方式为输入外界温度，另一种方式为输入与标准大气的温差。当输入高度与外界温度时，应能求出与标准大气的温差、气压及密度；当输入高度与标准大气的温差时，应能求出大气的外界温度、气压与密度。外界温度和与标准大气温差两者输入其一，应能求出另外一值。该逻辑解决了标准大气与非标准大气的计算求解问题。

日常工作经常使用的空速包含：以m/s、km/h、马赫数为单位的真空速，以m/s、km/h表示的校正空速，以m/s、km/h表示的当量空速，共计七个空速值。空速转换算法应保证输入任意单位下的某一空速时(例如：输入以km/h 为单位的真空速)，应能求出其余六个空速值。此外，当输入两个以上空速值时，程序应该以某一空速为基准，计算其余空速，使输入的其他空速值“无效”。例如：用户输入了以马赫数表示的真空速，以km/h表示的校正空速及以m/s表示的当量空速时，程序应设置一定的逻辑结构，以某一空速为基准，计算其余空速。该逻辑功能解决了需要编辑三套公式来实现以不同空速作为输入的空速转换功能的问题。

空速转换算法应避免截断误差，保证计算精度。完成某次空速转换后，当用户继续按压计算按钮时，如果没有修改空速值，仍以上次空速转换的空速为基准进行空速转换；如果修改了空速值，则按照一定的顺序进行扫描，以检测到的第一个发生变化的空速值为基准，进行空速转换。例如：某次计算中，高度为10000m、外界温度为10℃、真空速为0.8马赫；如果下次计算要选取8000m、外界温度为15℃、真空速仍为0.8马赫条件下的其余空速。在修改高度与温度后，算法应该仍以0.8马赫作为空速转换的基准，求解其余空速，除非用户更改了空速输入值。该逻辑不仅符合使用习惯，而且避免了用户通过某一空速值计算其余空速时，再次按压计算按钮时，程序以另外一空速为基准重新计算其余空速带来的截断误差问题。

设计大气参数与空速转换计算程序界面，如图1所示。界面左上角应设置标题“大气参数计算器”，用来说明此计算程序的功能；然后将计算界面进行分区，分区包括：大气参数计算区、空速转换区与按钮功能区。大气参数计算区包括：高度框、与标准大气温差框(ISA)、外界温度框(外温)三个已知参数框，第一压力框(以千帕表示的气压)、第二压力框(以毫米汞柱表示的气压)、密度框、第一音速框(以m/s为单位)、第二音速框(以km/h为单位)五个求解参数框。其中已知参数框既是数据输入框，也是计算结果显示框，其余的五个框只能显示数据，不能输入数据。空速转换区包括：以m/s、km/h与Ma数为单位表示的三个真空速框，以m/s、km/h为单位表示的两个校正空速框，以 m/s、km/h为单位表示的两个当量空速框，共计七个空速框。这七个空速框既是数据输入框，也是空速计算结果显示框。界面最下边是按钮功能区，从左到右依次是计算、清零与关于按钮，用于实现指定的功能。

大气参数求解和空速转换算法流程图，如图2所示。当在高度框后输入高度后，计算程序读取外界温度框中的温度值和与标准大气温差框中的温度值，如果这两个温度值都没有输入，计算程序会提醒用户输入。如果用户只在外界温度框中输入外界温度值时，程序通过高度值与外界温度值，计算与标准大气的温差、气压、密度，并将计算结果显示。如果用户只输入了与标准大气温差，程序通过高度值和与标准大气的温差，计算外界温度值、气压、密度，并将计算结果显示出来。如果用户既输入了外界温度值也输入了与标准大气的温差，计算程序以外界温度框为基准，通过高度值与外界温度值，计算与标准大气的温差、气压、密度，并将计算结果显示。当用户完成某次大气参数计算后，如果修改了外界温度框中的外界温度值，则以修改后的外界温度值为基准，求解与标准大气的温差、气压及密度；如果用户修改了与标准大气温差框中的温度值，则以修改后的以标准大气的温差为基准，求解外界温度、气压和密度；如果用户既修改了与标准大气的温差也修改了外界温度值，则以修改后的外界温度值为基准，求解与标准大气的温差、气压和密度，该过程可参考流程图3。

空速转换模块中，程序按照以m/s、km/h与Ma数为单位表示的真空速，以m/s、km/h为单位表示的校正空速，以m/s、km/h为单位表示的当量空速的顺序分别读取七个空速框中的空速值，如果某一空速框没有输入数值，计算程序将其值设置为0，如果程序检测到用户输入的空速值为负，提醒用户输入了负的速度值，计算结果无意义。然后计算程序按照以m/s、km/h与Ma数为单位表示的真空速，以m/s、km/h为单位表示的校正空速，以m/s、km/h为单位表示的当量空速的顺序进行检测，以检测到第一个发生变化的空速为基准，通过空速转换函数计算其余六个空速并将计算的空速值显示出来，并且计算程序会记录该空速(第一个检测到发生变化的空速)。计算完成后，如果用户没有修改空速值，再次点击计算时，计算程序仍以上述记录的空速为基准，进行空速转换；如果用户修改了空速值，程序按照上述提到的扫描顺序，检测第一个发生变化的空速值，然后以该空速值为基准，求解空速转换函数并将计算结果显示，该过程如流程图4所示。该逻辑功能成功解决了因截断误差导致的精度降低问题。

大气参数计算与空速转换方法中计算程序的开发基于Android Stduio环境，选用Java语言进行开发。计算程序开发包括计算界面设计与编写大气参数计算与空速转换代码。程序界面设计在activity_main.xml文件中完成，在该文件中添加可以输入数据与显示数据的可编辑框，添加只用来显示数据的不可编辑框，添加用来调用函数的按钮及用来描述控件功能的文本。然后按照界面美观的原则，将编辑框、不可编辑框、文本框与按钮进行合理摆放。

计算界面设计完成后，编写大气参数计算与空速转换代码。首先为每个控件添加变量，变量参与大气参数计算与空速转换，计算完成后将变量的计算结果在控件(编辑框、不可编辑框)中显示。然后为按钮绑定函数，当按压按钮时，会调用绑定的函数，通过函数实现指定的功能。完成变量添加与函数绑定后，按照上述的大气参数计算与空速转换算法编写代码，实现与计算按钮绑定的函数。当按压计算按钮后，触发大气参数计算与空速转换函数，该函数在读取必须输入量后，完成大气参数计算与空速转换。然后实现与清零按钮绑定的函数，按压清零按钮调用该函数后，将大气参数计算区高度框中的高度值设为 0，与标准大气温差框中的温差值设为0，外界温度框中的温度值设为0，空速转换区中的校正空速、当量空速与真空速设为0，求解参数框显示标准海平面条件下的大气参数值。最后实现与关于按钮绑定的函数，按压关于按钮该用该函数后，会弹出新的界面，界面显示开发者的信息与程序的详细介绍，方便用户使用及联系开发者对程序进行升级改进。

本程序实现了引导用户使用功能，大气参数计算过程中，高度与温度两者必须输入。如果检测到高度没有输入，程序将会通过maketexT函数报错，提醒用户输入高度，否则无法计算；如果检测到温度框没有输入(与标准大气温差框，外界温度框)，程序将会通过maketexT函数报错，提醒用户输入温度，否则无法计算；当输入的空速值为负时，程序将会通过maketexT函数提醒用户计算结果无意义，然后输入正的空速值；当用户按压移动设备的虚拟退出键时，程序将会通过maketexT函数提醒用户“再次按压退出程序”。如果用户再次按压虚拟退出键，程序将会关闭；如果用户没有再次按压虚拟退出键，程序将不会退出；这样可以防止用户误按压虚拟退出键，导致程序退出，从而影响用户使用。

综上所述，本发明提供了一套大气参数计算与空速转换程序计算方法，通过该算法编制计算程序，可以实现大气参数计算与空速转换功能，能快速为设计员与飞行员提供所需的大气参数与空速值。任何本专业技术人员，在本发明技术方案内做出的其他种种改良或修饰为等同变化的实例，但凡为脱离本发明专利技术方案内容，依据本发明专利的技术实质对以上所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明范围内。

Claims (11)

1.一种大气参数计算方法，其特征在于包含以下内容：1)有一个计算程序，该计算程序可以根据国际标准大气模型，实现标准大气与非标准大气的参数求解以及非标准大气参数条件下空速值之间的转换；2)有一个与计算程序关联的计算界面，所述的计算界面设有大气参数计算区、空速转换区和功能区，所述的大气参数计算区包括已知参数框和求解参数框，已知参数框用来输入已知数据，包括高度框、温度框，所述的求解参数框用来显示压力、音速与密度的计算结果；所述的空速转换区包括真速框、校正空速框与当量空速框；所述的功能区设有计算按钮，该计算按钮用于向计算程序发布计算指令；3)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应压力、音速与密度值；4)向大气参数计算区的高度框输入高度值，向温度框输入温度值，再在空速转换区输入任一空速值，然后按压计算按钮，则可在求解参数框显示对应的温度、压力、音速与密度值，同时在空速转换区相应显示其他对应的空速值。

2.如权利要求1所述的大气参数计算方法，其特征在于，在计算界面左上有“大气参数计算器”字符。

3.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的温度框有两个，一个是外界温度框，一个是与标准大气的温差框。

4.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的求解参数框设有两个压力显示框，分别显示以千帕为单位的压力与以毫米汞柱为单位的压力。

5.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的参数求解框设有两个音速显示框，分别显示以米/秒为单位的音速和以千米/小时为单位的音速。

6.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的空速转换区有三个真速显示框，分别显示以米/秒为单位的真速，以千米/小时为单位的真速及马赫数。

7.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的空速转换区有两个校正空速显示框，分别显示以米/秒为单位的校正空速及以千米/小时为单位的校正空速。

8.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，所述的空速转换区有两个当量空速显示框，分别显示以米/秒为单位的当量空速及以千米/小时为单位的当量空速。

9.如权利要求1或3所述的大气参数计算方法，其特征在于，在功能区有清零按钮，按压清零按钮，大气参数计算区的高度框中的高度值为0，与标准大气的温差框中的温差值为0，外界温度框中的温度值为0，求解参数框则显示标准海平面条件下的大气参数值，空速转换区中的空速值为0。

10.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，在大气参数计算区与空速转换区，在已知参数框、求解参数框和空速框上面有对该框口进行描述说明的文字。

11.如权利要求1或2所述的大气参数计算方法，其特征在于，如果没有在高度框输入高度值，按压计算按钮，将会弹出提示对话框，提醒用户输入高度值；如果用户在高度框输入高度值后，既没有在与标准大气温差框输入温差值也没有在外界温度框输入外界温度值，按压计算按钮，将会弹出提示对话框，提醒用户输入温度值；如果用户在高度框输入高度值后，在温度框输入温度值后，在空速转换区中的任一空速框输入负的空速值，按压计算按钮后，将会弹出提示框，提醒用户输入的速度为负值、无意义；在程序计算界面内，如果用户点击安卓设备上的虚拟退出按钮后，将会弹出对话框，显示“再按一次退出程序”，如果此时继续点击虚拟退出按钮后，程序将会退出。

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