CN114969987B - 一种基于气动仿真的l型多功能探头安装位置选定方法 - Google Patents

一种基于气动仿真的l型多功能探头安装位置选定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法，属于大气数据探头技术领域，包括以下步骤：S1：获取航空器包线范围内的飞行状态，并确定航空器的机身位置点；S2：获取各个机身位置点的静压值、总压值和局部攻角；S3：计算各个机身位置点的静压误差系数和总压误差系数；S4：生成集合区域；S5：进行L型多功能探头安装布置。该方法基于气动仿真分析，利用计算流体力学进行数值模拟，对包线范围内航空器机身附近各位置点的飞行参数进行提取和解算，定量的确定满足各参数求解计算的区域，结合系统架构的需求，对满足单项参数解算的区域进行集合，结合航空器其它因素，综合选定各L型多功能探头的安装位置。

Description

一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法
技术领域
本发明属于大气数据探头技术领域，具体涉及一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法。
背景技术
航空器常用的大气数据探头通过采集飞行过程中的总压、静压、局部攻角和侧滑角等参数信息，将压力或角度信号传递至后端解算部件，从而计算出航空器飞行的气压高度、马赫数、攻角和侧滑角等大气参数，为飞行控制或飞行员操作提供飞行大气数据支持。
L型多功能探头是大气数据探头的一种，具备总压、静压和压差攻角的测量能力，同时，可以通过机身左右的一对L型多功能探头实现压差侧滑角的测量。
大气参数的不精确测量会影响航空器的操纵和安全飞行。目前，L型多功能大气数据探头大多安装在机身前部，但其具体位置的确定大多基于工程经验或是简单的定性分析，往往不是布局至最优位置，会带来后期试飞修正困难，参数精度不准等问题。
因此希望具有一种可以定量分析L型多功能大气数据探头安装位置的方法。气动仿真是基于计算流体力学软件来模拟获得航空器在特定状态飞行时流场参数的方法，该方法经济成本低，时间消耗短，可以直观定量地对飞行过程中的参数进行提取和分析。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统大气数据探头安装位置选取带来的参数解算精度不足和多参数测量综合权衡的问题，提出了一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法。
本发明的技术方案是：一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法包括以下步骤：
S1：获取航空器包线范围内的飞行状态，并确定航空器的机身位置点；
S2：在各个飞行状态下，获取各个机身位置点的静压值、总压值和局部攻角；
S3：在各个飞行状态下，根据各个机身位置点的静压值和总压值，计算各个机身位置点的静压误差系数和总压误差系数；
S4：根据各个机身位置点的静压误差系数、总压误差系数和局部攻角，生成集合区域；
S5：在集合区域内任意位置进行L型多功能探头安装布置。
进一步地，S1中，航空器的飞行状态包括各个高度和马赫数时的侧滑角和攻角；
S1中，获取航空器的机身位置点的具体方法为：在航空器机身一侧沿航空器顺流方向等距选取机身位置点P1-Pn，并在航空器机身另一侧且关于航空器中轴面对称处选取机身位置点P1′-Pn′。
进一步地，S3中，各个机身位置点的静压误差系数Cps的计算公式为：
Figure 167504DEST_PATH_IMAGE001
其中，P ns 表示航空器机身一侧机身位置点的相对静压值，
Figure 808701DEST_PATH_IMAGE002
表示航空器机身另一侧机身位置点的相对静压值，q cfar 表示远场动压。
进一步地，S3中，各个机身位置点的总压误差系数Cpt的计算公式为：
Figure 698160DEST_PATH_IMAGE003
其中，P nt 表示机身位置点处的总压值，P tfar 表示远场总压，q cfar 表示远场动压。
进一步地，S4中，生成集合区域的具体方法为：在航空器包线范围内，将满足静压解算原则、总压解算原则和攻角测量原则的机身位置点的集合作为集合区域。
进一步地，S4中，静压解算原则为：静压误差系数的变化量小于设定静压阈值；
总压解算原则为：在航空器包线范围内，总压误差系数小于0.004
Figure 905150DEST_PATH_IMAGE004
，其中，q c 表示流场动压；
攻角测量原则为：局部攻角的变化量小于设定攻角阈值且航空器飞行状态发生变化时局部攻角的变化量超过飞机实际攻角变化量。
本发明的有益效果是：该方法基于气动仿真分析，利用计算流体力学进行数值模拟，对包线范围内航空器机身附近各位置点的飞行参数进行提取和解算，定量的确定满足各参数求解计算的区域，结合系统架构的需求，对满足单项参数解算的区域进行集合，结合航空器其它因素，综合选定各L型多功能探头的安装位置。该布局方法可以对大气数据系统中各L型多功能探头进行最优的气动布局，保证产品的解算精度。
附图说明
图1为L型多功能探头安装位置选定方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
航空器顺流方向：由机头至机尾的轴线方向。
如图1所示，本发明提供了一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法，包括以下步骤：
S1：获取航空器包线范围内的飞行状态，并确定航空器的机身位置点；
S2：在各个飞行状态下，获取各个机身位置点的静压值、总压值和局部攻角；
S3：在各个飞行状态下，根据各个机身位置点的静压值和总压值，计算各个机身位置点的静压误差系数和总压误差系数；
S4：根据各个机身位置点的静压误差系数、总压误差系数和局部攻角，生成集合区域；
S5：在集合区域内任意位置进行L型多功能探头安装布置。
在本发明实施例中，S1中，航空器的飞行状态包括各个高度和马赫数时的侧滑角和攻角；
S1中，获取航空器的机身位置点的具体方法为：在航空器机身一侧沿航空器顺流方向等距选取机身位置点P1-Pn，并在航空器机身另一侧且关于航空器中轴面对称处选取机身位置点P1′-Pn′。
在本发明实施例中，获取航空器的机身位置点时，可以根据飞行器表面的特征适当更改位置点之间的间距和选点范围，在机身蒙皮曲率大的地方多布点，曲率小的地方少布点，以保证对机身附近各位置处的气动参数进行充分分析，单侧选点数量应能支撑对所有可能位置的分析需求。
在本发明实施例中，S3中，各个机身位置点的静压误差系数Cps的计算公式为：
Figure 221862DEST_PATH_IMAGE001
其中，P ns 表示航空器机身一侧机身位置点的相对静压值，
Figure 615934DEST_PATH_IMAGE002
表示航空器机身另一侧机身位置点的相对静压值，q cfar 表示远场动压。
在本发明实施例中，S3中，各个机身位置点的总压误差系数Cpt的计算公式为：
Figure 309084DEST_PATH_IMAGE003
其中，P nt 表示机身位置点处的总压值，P tfar 表示远场总压，q cfar 表示远场动压。
在本发明实施例中，S4中，生成集合区域的具体方法为：在航空器包线范围内，将满足静压解算原则、总压解算原则和攻角测量原则的机身位置点的集合作为集合区域。
在本发明实施例中，S4中，静压解算原则为：随攻角及侧滑角改变，静压误差系数的变化量小于设定静压阈值；静压误差系数随攻角、侧滑角及速度变化应趋势一致，易于静压解算。
总压解算原则为：在航空器包线范围内，总压误差系数小于0.004
Figure 337958DEST_PATH_IMAGE004
，其中，q c 表示流场动压；
攻角测量原则为：局部攻角的变化量小于设定攻角阈值且航空器飞行状态发生变化时局部攻角的变化量超过飞机实际攻角变化量；局部攻角随真攻角变化应具备单调性，最优为线性关系；当飞机发生姿态变化时，局部攻角的变化量应接近或超过真攻角变化量，保证一定的分辨率和精度。
在本发明实施例中，S4中，若集合区域内无外露凸起物，则可在集合区域内任意位置进行探头安装布置。若集合区域内存在外露凸起物，则需要排除凸起物附近的区域（区域范围为距离凸起物边缘，设定倍数于凸起物高度距离内的区域），在剩余区域内任意位置进行探头布置。
下面结合具体实施例进行说明。
步骤一，确定该航空器计算状态为：高度0km，马赫数0.6，攻角为-15°~25°、间隔5°，侧滑角为-15°~15°、间隔5°，共计63个计算状态。对航空器外形绘制非结构网格进行计算流体力学仿真，整体网格数量为1000万左右。
步骤二，在不考虑航空器外露物的情况下，广泛选取机身附近各位置点。选点区域为距机头前方1.2m至6m范围的机身区域，沿飞机轴向，第一列点距离头部1.2m，往后间隔0.1m取点；上下方向取点间隔为0.1m。1~514个点为航空器左侧的点，按从前往后，由下往上的方式命名；1'~514'为航空器右侧的点，同样按从前往后，由下往上的方式命名；1~514和1'~514'点分别左右对称，对应关系为P1对应P1'，P2对应P2'，依次按顺序至P514对应P514'。
步骤三，提取每个飞行状态下，各位置点P1~P514和P1'~P514'的静压值P1s~P514s、P1s'~P514s'，总压P1t~P514t、P1t'~P514t'以及局部攻角P1a~P514a、P1a'~P514a'。
步骤四，依据提取的总、静压值，计算得到各位置点P1~P514、P1'~P514'在不同攻角、不同侧滑角下的静压误差系数Cps和总压误差系数Cpt。
步骤五，分别选定机身前部满足静压、总压和攻角解算的位置区域。
具体满足静压解算的原则：（1）在整个飞行包线范围内，随攻角及侧滑角改变，静压误差系数的变化量应小于设定阈值；（2）静压误差系数随攻角、侧滑角及速度变化应趋势一致，易于静压解算。
根据上述选点标准，分析整个计算结果，得到满足静压测量解算需求的测量区域，在测量区域内，静压误差系数曲线均随飞机攻角及侧滑角具有良好的规律性，且曲线平滑，可进行静压的测量解算。
具体满足总压解算的原则：整个飞行包线范围内，总压误差应在0.004
Figure 91150DEST_PATH_IMAGE004
以内。
分析整个计算结果，确定了满足总压测量要求的可选区域。
具体满足攻角解算的原则：（1）局部攻角随真攻角变化应具备单调性，最优为线性关系。（2）当飞机发生姿态变化时，局部攻角的变化量应接近或超过真攻角变化量，保证一定的分辨率和精度；（3）随飞机侧滑角改变，局部攻角的变化量应小于设定阈值。
根据上述局部攻角测量位置的选取特征，选取了符合攻角测量解算的可选区域。在上述选点范围内，局部攻角与飞机真攻角之间均存在良好的线性关系，且局部攻角本身也具备足够的分辨率，具备真攻角的测量解算能力。
步骤六，对L型多功能大气数据探头的需求为：安装L型多功能探头用于总压、静压和攻角的测量，因此其安装位置应选取在满足静压、总压和攻角测量需求的重合区域内，且该区域内没有外露物。
本发明的工作原理及过程为：该方法利用计算流体力学对航空器在包线范围内各个主要飞行状态进行数值模拟，并获取解算机身附近各位置点在这些状态下的流场参数，依据参数修正原则，分别确定出满足不同总压、静压和角度测量的位置集合，结合系统对L型多功能大气数据探头的性能需求，综合确定L型多功能大气数据探头的安装位置。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于气动仿真的L型多功能探头安装位置选定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取航空器包线范围内的飞行状态，并确定航空器的机身位置点；
S2：在各个飞行状态下，获取各个机身位置点的静压值、总压值和局部攻角；
S3：在各个飞行状态下，根据各个机身位置点的静压值和总压值，计算各个机身位置点的静压误差系数和总压误差系数；
S4：根据各个机身位置点的静压误差系数、总压误差系数和局部攻角，生成集合区域；
S5：在集合区域内任意位置进行L型多功能探头安装布置；
所述S1中，航空器的飞行状态包括各个高度和马赫数时的侧滑角和攻角；
所述S1中，获取航空器的机身位置点的具体方法为：在航空器机身一侧沿航空器顺流方向等距选取机身位置点P1-Pn，并在航空器机身另一侧且关于航空器中轴面对称处选取机身位置点P1′-Pn′；
所述S3中，各个机身位置点的静压误差系数Cps的计算公式为：
Figure 782447DEST_PATH_IMAGE001
其中，P ns 表示航空器机身一侧机身位置点的相对静压值，
Figure 621572DEST_PATH_IMAGE002
表示航空器机身另一侧机身位置点的相对静压值，q cfar 表示远场动压；
所述S3中，各个机身位置点的总压误差系数Cpt的计算公式为：
Figure 344677DEST_PATH_IMAGE003
其中，P nt 表示机身位置点处的总压值，P tfar 表示远场总压，q cfar 表示远场动压；
所述S4中，生成集合区域的具体方法为：在航空器包线范围内，将满足静压解算原则、总压解算原则和攻角测量原则的机身位置点的集合作为集合区域；
所述S4中，静压解算原则为：静压误差系数的变化量小于设定静压阈值；
总压解算原则为：在航空器包线范围内，总压误差系数小于0.004q c ，其中，q c 表示流场动压；
攻角测量原则为：局部攻角的变化量小于设定攻角阈值且航空器飞行状态发生变化时局部攻角的变化量超过飞机实际攻角变化量。
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