飞行结冰模拟器的制作方法

文档序号:2586517
专利名称:飞行结冰模拟器的制作方法
技术领域
本发明涉及航空工程,是一种飞行结冰模拟器。具体地讲,这种模拟器用来在地面上模拟飞行器在空中飞行期间遭遇或即将遭遇结冰时的状态,以及用来训练飞行员在这种状态下对飞行器的控制并采取的具体措施的能力。
背景技术
飞行器在一定的飞行高度范围内穿过云层时,大气中的超冷液态水(温度在冰点以下,但以液态水滴形式存在)会碰撞在飞行器表面。如果大气中超冷液态水含量较高,会在飞行器机身表面和一些部件表面上形成冰层,这种现象被称作飞行结冰。有关飞行结冰的大量理论、实验研究工作表明,大气中超冷液态水含量和水滴大小尺度在飞行结冰过程中起到重要的作用。飞行器的一些重要的控制表面(如机翼、稳定器、进气口、发动机叶片等部位)上的结冰将极大影响飞行器的空气动力学特性和操纵性,严重的会引发事故和灾难。例如,大量结冰会使飞行器重心变化、妨碍襟翼活动,以致降低升力增大阻力,破坏失速特性、发动机进气口的冰块飞进发动机会引起动力损失,甚至灭火。统计表明,飞机失事案例中,结冰因素占60%以上。现代的飞行器都装有除冰系统,是利用电加热的方法,对飞行器在飞行期间进行除冰和防冰。电加热设备的启动是通过系统对安置在飞行器外表面各处的结冰传感器的反馈控制完成的。统计表明,飞行器80%的飞行期间内需要启动除冰系统,说明飞行器在飞行期间遭遇结冰的机率非常高。为了保障飞行器的安全飞行,在飞行器遭遇飞行结冰时,必须选取可以确保安全的飞行模式。现代飞行器是在仪表飞行规则下使用各种飞行安全系统的,飞行员的任务是实施飞行控制命令或按照自动模式控制飞行器。在这种条件下,当飞行器可能遭遇结冰危险区的时候,飞行员和除冰系统必须进行各自的任务,完成飞行器的除冰。所以必须训练飞行员在相同情况下执行任务的能力,为的是增大他们正确评估情况、正确判定、执行相应的飞行操作的能力。这种训练把各种不同的视觉信号信息提供给他们,目的是给飞行员设置某些操作序列特征,飞行员记忆操作序列特征,并牢记对它们的感觉。此外,通过模拟训练可以是飞行员建立对飞行结冰期间的感情和压力的场景。提供一种在陆地上工作的飞行训练模拟器,能对高空中的飞行结冰进行合适的模拟,并能训练飞行员完成上述任务是极其重要的。这种模拟器被称为飞行结冰模拟器。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够模拟飞行结冰状态的飞行模拟器,用以训练飞行员的一种相应的飞行技术,即执行除冰操作以避免危险的技术。这种飞行结冰模拟器可为训练飞行员提供有关作用到飞行器上的结冰的分布和强度的信息。在预报时间内,需要确定飞行器距离结冰危险区的距离、进入结冰危险区后飞行器表面结冰的分布和强度、指出飞行器上的各个具有反馈效应的点所受结冰引起的扰动的程度。同时,选取除冰操作以避免飞行器遭遇过度结冰。这种在结冰危险状态下用于训练飞行技术的模拟器的表现形式是组成它的各种模块。这些模块及其功能如下启动模块它能够选取一个训练方案并启动各个模块的运行。大气条件数据库模块存储多种大气超冷液态水含量、液滴尺度数据、大气环境压力、大气对流速度、温度、湿度等信息。飞行参数存储模块存储不同飞行器的外形几何尺寸、飞行器不同的飞行状态信息,如飞行高度、速度、加速度、攻角、偏向角、滚动角等。模拟结冰状态的模块由大气条件数据和飞行参数计算飞行器表面结冰分布和强度。该模块包括以下4个单元(1)原始快照的正交基存储单元;(2)原始快照特征系数矩阵存储单元;(3)插值运算单元;(4)结冰状态计算单元。模拟结冰传感器阵列的模块通过已知的飞行器飞行状态和结冰的分布和强度, 计算所有布置点上的虚拟传感器中的振子的振动频率的变化;模拟结冰动对飞行器影响的模块计算由结冰诱发的飞行器附加力和力矩。该模块包括以下3个单元(1)受力点选择单元;(2)所受力积分运算单元;(3)所受力矩积分运算单元。模拟报警模块按照危险性判断准则,根据计算的结冰分布和强度,启动报警;模拟电加热除冰的模块根据计算的结冰量,确定输出模拟热量,进行除冰,直至传感器振子的振动频率恢复。该模块包括以下3个单元(1)蒙皮表面金属传热模拟单元;(2)冰层内部传热模拟单元;(3)除冰效果模拟单元。计算从飞行器到结冰危险区的距离的模块由启动模块选择进入,根据大气条件和飞行参数计算飞行器到结冰危险区的距离和时间。该模块包括以下3个单元(1)大气对流速度与大气超冷液态水含量关系存储单元;(2)插值运算单元;(3)从飞行器到结冰危险区的距离的计算单元;模拟外界目视状态的模块根据飞行器类型、计算的结冰分布,用视觉模拟技术绘制并显示云层、飞行器表面上的结冰;模拟飞行员工作区的模块配备电机驱动的运动系统的座椅;模拟航空仪表板的模块显示各种航空仪表,包括结冰报警和电加热执行显示窗;
模拟飞行器动态数据传输的模块将飞行器的力和力矩、结冰诱发的附加力和力矩的信号发射到模拟飞行员工作区模块、模拟航空仪表板模块,和模仿外界目视状态模块;模拟黑匣子的模块记录各种数据、数据交换、计算结果、运行程序的中间状态等 fn息ο


图1实施例的模拟器方案图。图2实施例用于模拟结冰状态的模块。图3实施例用于模拟除冰过程的模块。
具体实施例方式以一个按照本发明实现的飞行结冰模拟器具体实施的例子进一步说明本发明的原理和结构。是在飞行结冰危险条件下训练飞行员飞行技术的模拟器。图1用于在结冰危险条件下训练飞行技术的模拟器的方案图。包括1启动模块; 2大气条件数据库模块;3飞行参数存储模块;4模拟结冰状态的模块;5模拟结冰传感器阵列的模块;6模拟结冰动对飞行器影响的模块;7模拟飞行器动态数据传输的模块;8模拟报警模块;9模拟电加热除冰的模块;10计算从飞行器到结冰危险区的距离的模块;11模拟外界目视状态的模块;12模拟飞行员工作区的模块;13模拟航空仪表板的模块;14模拟黑匣子的模块。启动模块1内部设有延迟电路,功能是为模拟器中各种电子元件加载电源、做必要的仪表清零设置、预热。在完成上述任务后,进入工作模式选择状态。选择模拟精度,包括空间数据的精度、误差等级,结冰采样时间和加热模式。选择案例,决定进行模拟的大气条件、飞行器型号、飞行状态。最后设定初始时间为开始计时参考。大气条件数据库模块2中存储大气空间中液滴尺度数据、大气环境压力、大气对流速度、温度、湿度,是三维空间网格点的形式存储的。网格间距为1公里,空间范围足够大,以涵盖飞行器进行飞行结冰模拟期间的飞行距离。同时对每个案例,有经过线性插值后获得的,对应于空间高精度的数据备份文件,以备调用。具体是根据启动模块的指示进行选择的。飞行参数存储模块3存储多种型号的飞行器外形几何尺寸,是以三维空间表面网格节点坐标的形式储存的。同时存储大量飞行常遇到的飞行参数,如飞行高度、加速度、攻角、偏向角、滚动角、传感器布置位置等数据。根据启动模块的指示选择飞行器型号和飞行参数。模拟结冰状态的模块4的功能是根据模块2、3决定的条件参数计算特定飞行器外表面的结冰分布和强度。从模拟器开始运行时刻起,由模块1确定采样时间,所以,结冰的计算是在各个采样时间段完成的。输出结果是在该采样时间内,即一段飞行时间内数个时间点上的飞行器表面三维网格坐标点上的结冰厚度。结冰传感器布置点上的结冰情况编成阵列单独输出。该模块共包含4个单元,分别是原始快照的正交基存储单元、原始快照特征系数矩阵存储单元、插值运算单元、结冰状态计算单元。所述的原始快照是通过计算流体力学的数值模拟技术求解原始的描述飞行结冰过程的数学模型获得和大量实验数据获得的,在各种大气条件和飞行条件参数下的飞行器结冰状态,表现形式是飞行器表面结冰后各个点的空间坐标值构成的一个多维数组。例如,原始快照是一个变量的向量集合,其形式是,
权利要求
1.一种飞行结冰模拟器,用于在飞行结冰的条件下和飞行器即将进入结冰危险区的条件下训练飞行员,该飞行模拟器包括 启动模块(1); 大气条件数据库模块O); 飞行参数存储模块(3); 模拟结冰状态的模块(4); 模拟结冰传感器阵列的模块(5); 模拟结冰动对飞行器影响的模块(6); 模拟飞行器动态数据传输的模块(7); 模拟报警模块(8); 模拟电加热除冰的模块(9); 计算从飞行器到结冰危险区的距离的模块(10); 模拟外界目视状态的模块(11); 模拟飞行员工作区的模块(12); 模拟航空仪表板的模块(13); 模拟黑匣子的模块(14)。
2.按照权利要求1所述的一种飞行结冰模拟器,其特征在于,其中所述的模拟结冰状态的模块⑷包含(1)原始快照的正交基存储单元;(2)原始快照特征系数矩阵存储单元;(3)插值运算单元;(4)结冰状态计算单元。
3.按照权利要求1所述的的一种飞行结冰模拟器,其特征在于,所述的模拟结冰动对飞行器影响的模块(6)包括(1)受力点选择单元;(2)所受力积分运算单元;(3)所受力矩积分运算单元。
4.按照权利要求1所述的的一种飞行结冰模拟器,其特征在于,所述的模拟电加热除冰的模块(9)包括(1)蒙皮表面金属传热模拟单元;(2)冰层内部传热模拟单元;(3)除冰效果模拟单元。
5.按照权利要求1所述的的一种飞行结冰模拟器,其特征在于,所述的计算从飞行器到结冰危险区的距离的模块(10)包括(1)大气对流速度与大气超冷液态水含量关系存储单元;(2)插值运算单元;(3)从飞行器到结冰危险区的距离的计算单元。
全文摘要
本发明是一种训练飞行员在飞行结冰条件下,或即将进入飞行结冰危险区的条件下控制飞行器的能力,以及执行除冰操作的飞行结冰模拟器。它包括各种模块用于模拟结冰状态的模块,可以确定在结冰区飞行的飞行器表面上的结冰位置和结冰量;用于模拟结冰对飞行器扰动作用的模块,可以确定飞行结冰诱导的附加力和力矩;用于模拟电加热除冰的模块,可以飞行器飞行中的除冰过程;用于计算从飞行器到结冰危险区的距离的模块。
文档编号G09B9/16GK102522026SQ201110385719
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月29日 优先权日2011年11月29日
发明者路明 申请人:天津空中代码工程应用软件开发有限公司
再多了解一些
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