CN110955859A - 一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，属于飞行器的参数设计和预测领域。针对预定飞行轨道，采集轨道上的关键点并建立点群集合；采集目标飞行器实际运动到某待测点时飞行器的实际飞行参数；然后遍历预定飞行轨道所有关键点，若关键点的基本飞行参数与该待测点的实际飞行参数不同，则根据所有关键点关联的基本飞行参数、基本气动参数和该待测点关联的实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值得到该待测点的实际气动参数。将飞行器实际运动过程中经历的所有待测点，分别求出各待测点的实际气动参数，绘制目标飞行器的表面热流云图。本发明气动参数计算更快速准确，大大提高了气动热环境快速计算的能力。

Description

一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法

技术领域

本发明属于飞行器的参数设计和预测领域，具体是一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法。

背景技术

针对飞行器，预测飞行器的飞行状态、飞行轨道以及飞行过程中的气动参数，对飞行器的快速优化设计及飞行安全至关重要。

目前，在飞行器初期进行设计时，气动参数主要通过工程计算或者数值仿真得到，工程计算方法的精度不能满足复杂外形飞行器气动参数详细分布的需求，数值仿真会耗费大量的时间，不能满足总体快速优化迭代设计的需要。

另外，在飞行器实际飞行时，由于飞行速度和飞行姿态变化非常快，无论是工程计算方法还是数值仿真方法都难以给出实时飞行时的气动数据，也就无法实时反馈给飞行器进行飞行姿态和参数调整，无法确保飞行器始终在安全管道内飞行。

发明内容

针对飞行器飞行轨道上的点的气动参数的快速实时预测问题，本发明提出了一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，满足飞行器初期总体设计的优化迭代及飞行器实际飞行时实时参数预测需求。

具体步骤如下：

步骤一、针对预定飞行轨道，采集轨道上的关键点并建立点群集合；

预定轨道点群集合中每个关键点与飞行器外形上的点相关联，同时关联飞行器运动到该关键点时飞行器的基本飞行参数和基本气动参数；

针对工程计算方法得到的每个关键点关联的基本气动参数中的热流值，需要进行修正，将修正后的热流值作为关键点关联的热流值；

修正公式如下：

其中，e为修正因子，Ma′为基本飞行参数中的马赫数值，α′为基本飞行参数中的攻角值，Re′为基本飞行参数中的雷诺数值，

为修正后的基本飞行参数中的热流值，

为工程计算方法得到的基本气动参数中的热流值，

为数值仿真法得到的基本气动参数中的热流值。

步骤二、针对目标飞行器，采集飞行器实际运动到某待测点时飞行器的实际飞行参数；

实际飞行参数包括：马赫数值、雷诺数值和攻角值；

步骤三、遍历预定飞行轨道所有关键点，判断是否有关键点的基本飞行参数与该待测点的实际飞行参数相同，如果是，则调取该关键点的基本气动参数，作为该待测点的实际气动参数；否则，进入步骤四。

步骤四、根据所有关键点关联的基本飞行参数、基本气动参数和该待测点关联的实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值得到该待测点的实际气动参数。

具体为：

首先、从点群集合中选择马赫数值小于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第一集合；从点群集合中选择马赫数值大于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第二集合。

然后、从第一集合中，分别计算各关键点关联的马赫数值与待测点关联的马赫数值之差，选择差值最小的两个关键点作为插值节点；从第二集合中，分别计算各关键点关联的马赫数值与与待测点关联的马赫数值之差，选择差值最小的两个关键点作为插值节点；

最后、根据四个插值节点关联的基本飞行参数和基本气动参数，以及待测点关联的实际飞行参数，分别计算飞行器运动到该待测点的实际飞行气动参数中的热流值、压强值、温度值、X轴方向的速度、Y轴方向的速度和Z轴方向的速度；

热流值计算公式如下：

Ma为实际飞行参数中的马赫数值，α为实际飞行参数中的攻角值，Re为实际飞行参数中的雷诺数值；Ma_j和Ma_k为插值节点关联的基本飞行参数中的马赫数值，其中j＝0.1.2....n，k＝0.1.2....n；α_h和α_i为插值节点关联的基本飞行参数中的攻角值，其中，h＝0.1.2....m，i＝0.1.2....m；Re_f和Re_g为插值节点关联的基本飞行参数中的雷诺数值，其中，f＝0.1.2....l，g＝0.1.2....l；l+1为雷诺数值的插值节点个数；m+1为攻角值的插值节点个数；n+1为马赫数值的插值节点个数；

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的热流值；

为第一中间状态热流值；

为第二中间状态热流值；

为插值节点关联的基本气动参数中的热流值；

压强值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的压强值；

为第一中间状态压强值；

为第二中间状态压强值；

为插值节点关联的基本气动参数中的压强值；

温度值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的温度值；

为第一中间状态温度值；

为第二中间状态温度值；

为插值节点关联的基本气动参数中的温度值；

X方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的X方向的速度；

为第一中间状态X方向的速度；

为第二中间状态X方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中X方向的速度；

Y方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Y方向的速度；

为第一中间状态Y方向的速度；

为第二中间状态Y方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Y方向的速度；

Z方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Z方向的速度；

为第一中间状态Z方向的速度；

为第二中间状态Z方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Z方向的速度；

步骤五、重复上述步骤，将飞行器实际运动过程中经历的所有待测点，分别求出各待测点的实际气动参数；

步骤六、将所有待测点关联的实际气动参数绘制目标飞行器的表面热流云图。

本发明的优点在于：

1)、一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，利用飞行器的预定轨道上的关键点的基本飞行参数，建立飞行器的气动参数数据库，利用修正值修正热流值，使得在对飞行器实际飞行中的气动参数计算更准确。

2)、一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，利用拉格朗日插值法计算得到飞行器在实际飞行中的气动参数，实现了快速准确得到对飞行器在实际飞行中的气动参数的计算。

3)、一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，将飞行器的形状数据与预计轨道关联，可以得到直观的飞行器的热流云图。

4)、一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，实现了参数管理、数据处理和飞行计算等功能；使用起来方便快捷，并且精度较高，大大提高了气动热环境快速计算的能力，适应了高超声速复杂外形飞行器初期优化设计和再入实时预测的需要。

附图说明

图1为本发明一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中基本飞行参数录入界面；

图3为本发明实施例中基本飞行参数调取界面；

图4为本发明实施例中基本飞行参数显示界面；

图5为本发明实施例中基本飞行参数计算结果显示界面；

图6为本发明实施例中飞行器表面热流云图；

图7为本发明实施例中实际飞行轨道上的点的实际飞行参数的录入；

图8为本发明实施例中调取基本飞行参数界面；

图9为本发明实施例中实际飞行轨道上的点的实际热流值计算成功界面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明公开了一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，包括：首先，选取预定轨道设置的多个关键点建立点群集合，每个关键点与飞行器运动到该点时飞行器的基本飞行参数和基本气动参数关联；然后，采集飞行器实际运动到待测点时飞行器的实际飞行参数；并查找是否存在有与实际飞行参数相同的基本飞行参数，若不存在，根据基本飞行参数、基本气动参数和实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值得到与飞行器运动到待测点时的实际气动参数。

本方法针对目标飞行器，获得一系列飞行状态下气动热环境数据作为数据库的基础数据，然后根据修正、插值算法进行计算，可得到飞行器在设计空间内任意飞行状态下的气动热参数。具体步骤如图1所示，包括如下：

步骤一、针对预定飞行轨道，采集轨道上的关键点建立点群集合；

预定轨道点群集合中每个关键点与飞行器外形的点相关联，同时关联飞行器运动到该关键点时飞行器的基本飞行参数和基本气动参数；

基本飞行参数包括：马赫数值、雷诺数值和攻角值；

基本气动参数包括：热流值、压强值、温度值、转捩状态值、转捩位置、X轴方向的速度、Y轴方向的速度和Z轴方向的速度；

点群集合中的关键点必须尽量多，以满足计算精度的要求，并且必须包含关联的马赫数值最大的点、关联的热流值最大的点和关联的湍流热流值最大的轨道点；

湍流热流值最大的轨道点即为转捩状态下热流最大值对应的轨道点；

基本气动参数数据应为实验数据或者数值计算数据，如果基本气动参数是采用工程计算方法得到的，需要利用数值计算结果进行修正。

利用公式(1)和(2)对每个关键点关联的热流值进行修正，将修正后的热流值作为关键点关联的热流值；

其中，e为修正因子，Ma′为基本飞行参数中的马赫数值，α′为基本飞行参数中的攻角值，Re′为基本飞行参数中的雷诺数值，

为修正后的基本飞行参数中的热流值，

为工程计算得到的基本气动参数中的热流值，

为数值仿真得到的基本气动参数中的热流值。

步骤二、针对目标飞行器，采集飞行器运动到某待测点时飞行器的实际飞行参数；

待测点为飞行器实际飞行的时候，轨道上标记的点，该点需要给出预测值。

实际飞行参数包括：马赫数值、雷诺数值和攻角值；

步骤三、遍历预定飞行轨道所有基本飞行参数，查找是否存在与实际飞行参数相同的基本飞行参数，如果是，则调取与该基本飞行参数关联在同一点上的基本气动参数，作为飞行器运动到该待测点的实际气动参数。否则，进入步骤四；

步骤四、根据所有预定轨道点群关键点关联基本飞行参数、基本气动参数和待测点关联的实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值得到与飞行器运动到待测点时的实际气动参数。

具体为：

首先、从预定轨道点群集合中选择马赫数值小于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第一集合；从预定轨道点群集合中选择马赫数值大于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第二集合。

然后、从第一集合中调取待测点关联马赫数值与关键点关联马赫数值差值最小的两个关键点作为插值节点，从第二集合中调取关键点关联马赫数值与待测点关联马赫数值差值最小两个关键点作为插值节点；

例如：待测点关联的实际飞行参数(Ma＝10，α＝15，Re/m＝4×10⁵)下的气动参数，则拉格朗日插值，会自动分别以马赫数(Ma)向上和向下查找两组基础数据，使用这四组基础数据如表1所示进行插值，得到结果。

表1

最后、根据四个插值节点关联的基本飞行参数、基本气动参数以及待测点关联的实际飞行参数，分别计算飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的热流值、压强值、温度值、X轴方向的速度、Y轴方向的速度和Z轴方向的速度；

热流值计算公式如下：

Ma为实际飞行参数中的马赫数值，α为实际飞行参数中的攻角值，Re为实际飞行参数中的雷诺数值；Ma_j、Ma_k为插值节点关联的基本飞行参数中的马赫数值，其中j＝0.1.2....n，k＝0.1.2....n；α_h、α_i为插值节点关联的基本飞行参数中的攻角值，其中，h＝0.1.2....m，i＝0.1.2....m；Re_f、Re_g为插值节点关联的基本飞行参数中的雷诺数值，其中，f＝0.1.2....l，g＝0.1.2....l；l+1为雷诺数值的插值节点个数；m+1为攻角值的插值节点个数；n+1为马赫数值的插值节点个数；

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的热流值；

为第一中间状态热流值；

为第二中间状态热流值；

为插值节点关联的基本气动参数中的热流值；

压强值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的压强值；

为第一中间状态压强值；

为第二中间状态压强值；

为插值节点关联的基本气动参数中的压强值；

温度值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的温度值；

为第一中间状态温度值；

为第二中间状态温度值；

为插值节点关联的基本气动参数中的温度值；

X方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的X方向的速度；

为第一中间状态X方向的速度；

为第二中间状态X方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中X方向的速度；

Y方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Y方向的速度；

为第一中间状态Y方向的速度；

为第二中间状态Y方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Y方向的速度；

Z方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Z方向的速度；

为第一中间状态Z方向的速度；

为第二中间状态Z方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Z方向的速度；

步骤五、重复上述步骤，将飞行器实际运动过程中经历的所有待测点，分别求出各待测点的实际气动参数；

步骤六、将所有待测点关联的实际气动参数绘制目标飞行器的表面热流云图。

实施例：

以SQL Server作为后台支持，通过三维扫描仪等采集点的设备，采集飞行器外形的点，并采集预定飞行轨道的所有点，建立预定轨道点群集合，将这些点与飞行器运动到该点时的基本飞行参数和基本气动参数关联；

数据录入，将采集到预定飞行轨道的点和飞行器外形的点转化成固定格式的数据，通过编写程序实现自动录入数据库，高效且保证了数据库的正确性，如图2所示。

如图3所示，通过点击“选择数据文件”按钮，选中需要的数据文件，之后点击“导入”按钮，这样程序就可以根据制定的路径去录入目标数据文件，图4显示了导入后的数据情况。

数据查询，对数据库中的数据进行检索，根据输入的检索条件，把符合条件的数据列表显示。

数据点通过马赫数值、攻角值和雷诺数值三个参数来进行确定，所以将这三个参数作为检索条件来进行查询。可以输入马赫数值、攻角值、雷诺数值三个参数中的任意一至三个，点击“查询”按钮，结果显示在右边的“查询结果”框中。如果查询条件为空，点击“查询”按钮后显示所有的数据点。图5所示为输入马赫数值为6.0进行查询的情况。

本发明关注的是飞行器表面的热流，所以在查询到数据点后，选中某个状态，点击“云图”按钮，可以显示该数据点的热流云图，如图6所示。

飞行器实际飞行轨道上的点的气动参数的计算：

根据预定轨道气动参数和基本飞行参数以及实际飞行轨道上的实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值依次计算轨道上所有飞行状态点的气动参数，这里以热流值为例说明，如图7所示。

首先是录入轨道文件，通过“选择轨道文件”将储存轨道信息的txt文件选中，点击“导入轨道数据”将轨道状态点的信息导入到数据库中，导入成功后弹出对话框提示，如图8所示。

接下来就是计算，点击轨道计算模块中的“计算”按钮，根据实际飞行轨道的点的实际飞行参数对表面热流值进行拉格朗日插值计算，计算完成后弹出“计算成功”对话框，如图9所示。

实际飞行轨道的点计算成功后，在右侧列表中选中对应轨道点，点击“云图”按钮，可以显示该点的飞行器表面热流云图。

针对飞行器表面上的一些关键点，监控这些点沿着轨道飞行时热流的变化情况，方便进行热防护的工作。关键点通过网格点进行选择，因为网格是由多个块组成的，所以根据区域序号以及每个区域三个方向上的序号来确定关键点。选定关键点后，点击机体点追踪模块中的“计算”按钮进行计算。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、针对预定飞行轨道，采集轨道上的关键点并建立点群集合；

预定轨道点群集合中每个关键点与飞行器外形上的点相关联，同时关联飞行器运动到该关键点时飞行器的基本飞行参数和基本气动参数；

步骤二、针对目标飞行器，采集飞行器实际运动到某待测点时飞行器的实际飞行参数；

步骤三、遍历预定飞行轨道所有关键点，判断是否有关键点的基本飞行参数与该待测点的实际飞行参数相同，如果是，则调取该关键点的基本气动参数，作为该待测点的实际气动参数；否则，进入步骤四；

步骤四、根据所有关键点关联的基本飞行参数、基本气动参数和该待测点关联的实际飞行参数，利用拉格朗日多项式插值得到该待测点的实际气动参数；

具体为：首先、从点群集合中选择马赫数值小于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第一集合；从点群集合中选择马赫数值大于待测点关联的实际马赫数值的关键点，归类到第二集合；

然后、从第一集合中，分别计算各关键点关联的马赫数值与待测点关联的马赫数值之差，选择差值最小的两个关键点作为插值节点；从第二集合中，分别计算各关键点关联的马赫数值与与待测点关联的马赫数值之差，选择差值最小的两个关键点作为插值节点；

最后、根据四个插值节点关联的基本飞行参数和基本气动参数，以及待测点关联的实际飞行参数，分别计算飞行器运动到该待测点的实际飞行气动参数中的热流值、压强值、温度值、X轴方向的速度、Y轴方向的速度和Z轴方向的速度；

步骤五、重复上述步骤，将飞行器实际运动过程中经历的所有待测点，分别求出各待测点的实际气动参数；

步骤六、将所有待测点关联的实际气动参数绘制目标飞行器的表面热流云图。

2.如权利要求1所述的一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，其特征在于，步骤一中，针对工程计算方法得到的每个关键点关联的基本气动参数中的热流值，需要进行修正，将修正后的热流值作为关键点关联的热流值；

修正公式如下：

其中，e为修正因子，Ma′为基本飞行参数中的马赫数值，α′为基本飞行参数中的攻角值，Re′为基本飞行参数中的雷诺数值，

为修正后的基本飞行参数中的热流值，

为工程计算方法得到的基本气动参数中的热流值，

为数值仿真法得到的基本气动参数中的热流值。

3.如权利要求1所述的一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，其特征在于，步骤二中，所述的实际飞行参数包括：马赫数值、雷诺数值和攻角值。

4.如权利要求1所述的一种基于预定飞行轨的实际飞行轨道气动参数的计算方法，其特征在于，步骤四中所述的热流值计算公式如下：

Ma为实际飞行参数中的马赫数值，α为实际飞行参数中的攻角值，Re为实际飞行参数中的雷诺数值；Ma_j和Ma_k为插值节点关联的基本飞行参数中的马赫数值，其中j＝0.1.2....n，k＝0.1.2....n；α_h和α_i为插值节点关联的基本飞行参数中的攻角值，其中，h＝0.1.2....m，i＝0.1.2....m；Re_f和Re_g为插值节点关联的基本飞行参数中的雷诺数值，其中，f＝0.1.2....l，g＝0.1.2....l；l+1为雷诺数值的插值节点个数；m+1为攻角值的插值节点个数；n+1为马赫数值的插值节点个数；

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的热流值；

为第一中间状态热流值；

为第二中间状态热流值；

为插值节点关联的基本气动参数中的热流值；

所述的压强值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的压强值；

为第一中间状态压强值；

为第二中间状态压强值；

为插值节点关联的基本气动参数中的压强值；

所述的温度值计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的温度值；

为第一中间状态温度值；

为第二中间状态温度值；

为插值节点关联的基本气动参数中的温度值；

所述的X方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的X方向的速度；

为第一中间状态X方向的速度；

为第二中间状态X方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中X方向的速度；

所述的Y方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Y方向的速度；

为第一中间状态Y方向的速度；

为第二中间状态Y方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Y方向的速度；

所述的Z方向的速度计算公式如下：

为飞行器运动到待测点的实际飞行气动参数中的Z方向的速度；

为第一中间状态Z方向的速度；

为第二中间状态Z方向的速度；

为插值节点关联的基本气动参数中的Z方向的速度。

Images