专利名称：主动重心控制计算机辅助设计系统的制作方法
主动重心控制计算机辅助设计系统
技术领域：
本发明涉及一种计算机辅助设计系统，特别是涉及一种主动重心控制计算机辅助 设计系统。
背景技术：
随着科学技术的发展，主动重心控制技术在越来越多的民用飞机和军用飞机上得 以应用。一方面，主动重心控制技术应用于民用飞机，通过燃油的传输实现重心的优化，可 以降低飞行阻力、减小燃油消耗并增大巡航航程，此类飞机卓越的运输能力和航程使得其 在商业贸易方面有着更广阔的应用前景。另一方面，主动重心控制技术应用于军用飞机，通 过管理燃油系统或其它机载设备，主动地控制重心位置，实现重心与气动焦点的合理匹配， 提高稳定性和安全性，增强飞机执行复杂作战任务的能力。正是由于主动重心控制技术能带来诸多效益，因此世界许多国家和地区都已针对 该项技术展开深入研究和工程应用。美国NASA Dryden飞行研究中心在亚声速运输机性能 优化技术研究计划中就提出了采用主动重心控制技术提高飞机性能的设计思路。美国国防 部先进技术研究中心的低声震超声速飞行平台计划(Quiet Supersonic Platform，QSP)对 采用主动重心控制技术降低超声速巡航飞行器声震特性进行了深入研究。近几年，相关研 究机构也已开展了多操纵面飞机主动重心控制技术的研究工作。目前，主动重心控制技术 已在“协和”号超声速客机、空客A310、A330、A340系列客机、新型远程作战飞机中得以广泛 应用，并表现出了良好的效益。然而，主动重心控制系统的设计是一项复杂繁琐、针对性强、难度较大的工作。如 美国专利局于2005年7月5日公开的第US69132^B2号专利“Aircraft with Active Center ofGravity Control ( 一种具有主动重心控制功能的飞行器)，，所述，主动重心控制 技术必须结合特定的应用对象进行设计，它根据特定的飞机外形与重量、重心允许范围等 参数设计最佳重心位置，再根据已知的机载油箱分布、各油箱油量数据制定合理的燃油传 输方案，以达到有效地控制重心、优化飞行性能的目的。但是，由于飞机种类复杂多样、设计 参数各不相同，对于不同类型的飞机，必须结合对象固有的数据进行设计，使得主动重心控 制系统的设计过程较为繁琐，工作负担加重；而且由于主动重心控制系统的设计对研究人 员在重量与重心、飞行性能、控制理论与优化算法等多个领域的专业知识要求较高，一般设 计人员无法胜任该项工作，这无疑又增加了主动重心控制系统设计的难度。因此，如何能根据飞机已知的几何外形、重量与重心、燃油系统等数据，快速、准确 地设计飞机最佳重心位置、最佳燃油传输方案，并估算出应用主动重心控制技术可能获得 的经济效益，已成为目前主动重心控制领域需要解决的问题。鉴于以上所述，本发明的主要目的是提供一种主动重心控制辅助设计系统，其可 应用于计算机系统上，具有良好的人机交互界面，以便于辅助设计人员高效率地完成主动 重心控制系统的设计工作。设计人员仅需根据设计科目操作视窗的提示输入指定的参数， 即可完成最佳重心位置、最佳燃油传输方案的设计，设计结果以图形、数据等输出形式呈现给设计人员，据此进行重心的调节和燃油系统的管理；该系统还可估算亚声速或超声速飞 行模式下典型效益参数随重心的变化情况，以作为设计人员是否选用主动重心控制技术的 参考依据。本发明的主动重心控制计算机辅助设计系统不受飞机类型、外形与重量等参数的 限制，适用范围广，是一种通用的计算机辅助设计系统；且该系统操作简便，设计结果清晰 直观，便于设计人员使用。
发明内容本发明的主要目的在于提供一种主动重心计算机辅助设计系统，其可应用于计算 机系统上，辅助设计人员高效率地完成飞机主动重心控制系统的设计工作。此主动重心控制计算机辅助设计系统包含以下系统模块(a) 一系统主程序库， 其中预存有主动重心控制设计程序，包括最佳重心位置设计程序组、最佳燃油传输方案程 序组和主动重心控制效益估算程序组；(b) —系统附加程序库，其中预存有设计科目代码 获取程序和设计视窗切换程序；(c) 一主控模块，用于显示系统的交互式主操作视窗，可由 设计人员在操作视窗上选择设计科目，并获取相应的设计科目代码；(d) —设计视窗切换 模块，根据获取的设计科目代码，调用设计视窗切换程序，显示交互式设计科目操作视窗； (e) 一最佳重心设计模块，可由设计人员在操作视窗上定义飞机几何参数、飞行参数和重心 包线参数，在系统主程序库中选择并运行最佳重心设计程序组，获得设计结果并显示在操 作视窗上；(f) 一最佳燃油传输方案设计模块，可由设计人员在操作视窗上输入中央油箱、 内侧机翼油箱、外侧机翼油箱、平衡油箱的油量参数和油箱分布参数，在系统主程序库中选 择并运行最佳燃油传输方案设计程序组，获得最佳的燃油传输线路和油量变化，并显示在 计算机屏幕上；(g) —主动重心控制效益估算模块，可由设计人员在操作视窗上选择超声 速飞行或亚声速飞行模式，定义飞机几何参数、飞行参数，并输入重心优化前后的对比值， 在系统主程序库中选择并运行效益估算程序组，获得超声速或亚声速飞行时重心变化对升 致阻力、总阻力、配平升阻比的影响，估算经济效益，并显示在计算机屏幕上，以作为设计人 员是否选用主动重心控制技术的参考依据。利用本发明，可高效率地完成主动重心控制系统的设计，并可作为飞机重心在线 调节和燃油系统管理的依据。
图1是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的软硬件架构图。图2是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的最佳重心设计模块输入输出 参数的详细结构示意图。图3是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的最佳燃油传输方案设计模块 输入输出参数的详细结构示意图。图4是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的效益估算模块(超声速、亚声 速巡航模式)输入输出参数的详细结构示意图。图5是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的操作程序流程图。
具体实施方式如图1所示，是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的软硬件架构图。该计 算机系统可为桌上型计算机、笔记型计算机或掌上型计算机装置，其基本硬件架构包括一 中央处理器1、一输入装置2、一存储装置3、一内存模块4及一显示装置5。中央处理器1用于执行内存模块4的所有程序，其为一般熟知的数据处理装置，因 此以下将不对其功能及内部架构作进一步详细说明。输入装置2用于设计人员输入选择指 令、操控指令或相关参数至中央处理器1，其可为一键盘、鼠标或其它输入装置。显示装置5 用于向设计人员显示操作视窗，提示设计人员输入指定的参数，并显示设计结果。显示装置 5为计算机系统上的必要配备，也为一般熟知的装置，因此以下也不对其功能及内部架构作 进一步详细说明。存储装置3用于保存上述主动重心控制系统的设计结果，其可为一磁盘 或闪存。内存模块4为中央处理器1可直接存取及执行程序的存储单元，例如只读存储器 (Read Only Memory, ROM)、可编程存储器(Programmable Read Only Memory, PROM)、可擦 除可编程存储器(ErasabIeProgrammabIe Read Only Memory, EPR0M)及随机存取存储器 (Random Access Memory，RAM)。此内存模块4用于存储本发明主动重心控制计算机辅助 设计系统中的所有程序与模块，包括一系统主程序库41、一系统附加程序库42、一主控模 块43、一设计视窗切换模块44、一最佳重心设计模块45、一最佳燃油传输方案设计模块46、 一主动重心控制效益估算模块47。其中，系统主程序库41用于存储主动重心控制设计程 序，包括最佳重心位置设计程序组、最佳燃油传输方案程序组和主动重心控制效益估算程 序组。系统附加程序库42用于存储设计科目代码获取程序和设计视窗切换程序。主控模 块43用于显示系统的交互式主操作视窗，设计人员在操作视窗上选择设计科目，并获取所 选择设计科目的代码；设计视窗切换模块44用于根据获取的设计科目代码，显示交互式设 计科目操作视窗。最佳重心设计模块45用于显示重心设计操作视窗，由设计人员根据提示 输入相关参数，在系统主程序库中选择并运行最佳重心设计程序组，并将设计结果以图形 和数据的形式显示在操作视窗上。最佳燃油传输方案设计模块46用于显示燃油传输设计 操作视窗，由设计人员根据提示输入油量参数与油箱分布参数，在系统主程序库中选择并 运行最佳燃油传输方案设计程序组，并将燃油传输线路、油量变化的设计结果以图形的形 式显示在计算机屏幕上。主动重心控制效益估算模块47用于显示效益估算操作视窗，由设 计人员选择超声速飞行或亚声速飞行模式，并根据提示输入飞机参数与重心变化量，在系 统主程序库中选择并运行效益估算程序组，并将效益估算结果以图形和数据的形式显示在 计算机屏幕上。以上功能模块的程序均是由中央处理器1来执行。最佳重心设计模块45是根据不同的飞行状态调节最佳重心位置，当飞机处于巡 航模态时，最佳重心设计模块45将重心调整到相对靠近机身尾部的位置，提高巡航效率; 当飞机处于起飞、着陆模态时，最佳重心设计模块45将重心调整到相对靠近机身头部的位 置，改善纵向稳定性和可控性。重心调节规律遵循如下优化准则 调整飞机的重心位置，满足重心允许范围的约束； 调整飞机的重心位置，减少配平阻力； 调整飞机的重心位置，减小燃油消耗，增大航程； 调整飞机的重心位置，根据不同的飞行状态调节纵向升力分布，在整个飞行包
5线内实现飞机性能的优化。最佳燃油传输方案设计模块46的设计结果可用于管理与控制燃油系统的油门阀 和油泵，根据中央油箱、内侧机翼油箱、外侧机翼油箱、平衡油箱的油量及其分布情况，控制 驱动燃油流动的油泵，管理油门阀的开启和闭合，通过燃油的传输实现对飞机重心的调节。主动重心控制效益估算模块47的计算结果对设计人员是否选用主动重心控制技 术具有一定的参考价值，设计人员可结合特定的应用对象综合衡量主动重心控制技术的效 益和代价，并根据综合评价结果进行方案设计。如图2所示，是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的最佳重心设计模块45 输入输出参数的详细结构示意图。设计人员通过操作视窗与最佳重心设计模块45交互的 数据包括[输入参数]和[输出结果]。输入参数第一层分类包括[飞行状态参数]、[重 心包线参数]及[飞机外形与重量参数]，其中在[飞行状态参数]之下的第二层分类包 括[高度]、[速度]，在[重心包线参数]之下的第二层分类包括[重心前限]、[重心后 限]，在[飞机外形与重量参数]之下的第二层分类包括[平均气动弦长]、[翼型面积]、 [飞机质量]、[尾翼力臂]、[气流阻滞系数]。输出结果则包括[数据说明]和[图形显 示]，其中，在[数据说明]之下的第二层分类包括[最小阻力重心]、[最佳重心位置]，在 [图形显示]之下的第二层分类包括[飞行阻力曲线]、[重心允许范围]。设计人员根据 操作视窗的提示输入指定参数后，最佳重心设计模块45运行设计程序组，获得设计结果并 按照上述输出形式显示在显示装置5上。如图3所示，是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的最佳燃油传输方案设 计模块46输入输出参数的详细结构示意图。设计人员通过操作视窗与最佳燃油传输方案 设计模块46交互的数据包括[输入参数]和[输出结果]。输入参数第一层分类包括[油 箱分布参数]、[油箱油量参数]及[重心参数]，其中在[油箱分布参数]之下的第二层 分类包括[中央油箱]、[内侧机翼油箱]、[外侧机翼油箱]、[平衡油箱]，在[油箱油量 参数]之下的第二层分类包括[初始油量]、[最大油量]、[最小油量]，在[重心参数] 之下的第二层分类包括[标称重心]、[优化重心]。输出结果只包括[图形显示]，[图形 显示]则包括[燃油传输线路]、[平衡油箱油量]、[中央油箱油量]、[机翼油箱油量]。 设计人员根据操作视窗的提示输入指定参数后，最佳燃油传输方案设计模块46运行设计 程序组，获得设计结果并按照上述输出形式显示在显示装置5上。如图4所示，是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的效益估算模块47输入 输出参数的详细结构示意图。在亚声速、超声速巡航模式下，设计人员通过操作视窗与主动 重心控制效益估算模块47交互的数据相同，包括[输入参数]和[输出结果]。输入参数 第一层分类包括[飞行状态参数]、[重心参数]及[飞机外形与重量参数]，其中在[飞行 状态参数]之下的第二层分类包括[高度]、[速度]，在[重心参数]之下的第二层分类包 括[设计重心]、[优化重心]，在[飞机外形与重量参数]之下的第二层分类包括[平均 气动弦长]、[翼型面积]、[飞机质量]、[尾翼力臂]、[气动焦点]。输出结果则包括[数 据说明]和[图形显示]，其中，在[数据说明]之下的第二层分类包括[油耗]、[航程]， 在[图形显示]之下的第二层分类包括[升致阻力]、[总阻力]、[配平升阻比]。设计人 员根据操作视窗的提示输入指定参数后，主动重心控制效益估算模块47运行设计程序组， 获得设计结果并按照上述输出形式显示在显示装置5上。
如图5所示，是本发明主动重心控制计算机辅助设计系统的操作程序流程图。首 先，中央处理器1会首先执行主控程序41，在显示装置5上显示本发明系统的交互式主操作 窗口(步骤S50)，设计人员通过操作窗口选择一个设计科目(步骤S51)，主控模块41获取 设计人员所选择的设计科目代码(步骤S5》。接着，中央处理器1执行设计视窗切换模块 44，根据上述获取的设计科目代码，运行设计视窗切换程序，显示交互式设计科目操作视窗 (步骤S5!3)。设计人员根据操作视窗的提示输入指定的参数(步骤S54)，例如包括飞行高 度、速度、重量、油箱分布、飞机几何参数等。然后，中央处理器1执行设计科目程序组(步 骤S5Q，例如最佳重心设计程序组、最佳燃油传输方案设计程序组或主动重心控制效益估 算程序组，获得对应的设计结果，并以图形或数据的形式显示在显示装置5上(步骤S56)， 以作为飞机重心在线调节和燃油系统管理的参考。最后，将主动重心控制系统的设计结果 保存至存储装置3中(步骤S57)，以便于需要时直接将设计结果从存储装置3中读出。此即完成了一次主动重心控制计算机辅助设计系统的操作。如有需要，重新执行 步骤S20至步骤S27,更改输入参数的大小，以完成不同类型飞机主动重心控制系统的设 计。综而言之，本发明主动重心控制计算机辅助设计系统可应用于一计算机系统上， 用以让设计人员在交互式主操作视窗上选择设计科目，并根据提示输入指定的参数，由本 发明系统完成最佳重心位置设计、最佳燃油传输方案设计及主动重心控制效益估算，并将 设计结果以图形显示和数据说明的形式显示在计算机屏幕上，辅助设计人员高效率地完成 主动重心控制系统的设计。
权利要求
1.一种主动重心控制计算机辅助设计系统，用于一计算机系统上，其特征在于，包括 一系统主程序库，用于存储主动重心控制设计程序，包括最佳重心位置设计程序组、最佳燃油传输方案程序组、效益估算程序组；一系统附加程序库，用于存储设计科目代码获取和设计视窗切换程序； 一主控模块，用于显示系统的交互式主操作视窗，以便于设计人员选择设计科目，并根 据设计人员的选择获取相应的设计科目代码；一设计视窗切换模块，根据获取的设计科目代码，在系统程序库中调用设计视窗切换 源程序，显示交互式设计科目操作视窗；一最佳重心设计模块，由设计人员在操作视窗上定义飞机几何参数、飞行参数和重心 包线参数，根据上述参数调用最佳重心设计程序获得对应的最佳重心设计结果；一最佳燃油传输方案设计模块，由设计人员在操作视窗上输入中央油箱、内侧机翼油 箱、外侧机翼油箱、平衡油箱的油量参数和油箱分布参数，调用最佳燃油传输方案设计程序 获得最佳的燃油传输线路和油量变化；一主动重心控制效益估算模块，由设计人员在操作视窗上选择超声速飞行或亚声速飞 行模式，定义飞机几何参数、飞行参数，并输入重心优化前后的对比值，调用效益估算程序 获得超声速或亚声速飞行时重心变化对升致阻力、总阻力、配平升阻比的影响，估算经济效
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用所述系统的应用程序，不受飞机类型、 几何外形、气动参数的限制，是一种通用的计算机辅助设计系统。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，其中该计算机系统为一桌上型计算机、笔记 型计算机或掌上型计算机装置。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统根据不同的飞行状态调节最佳重 心位置，当飞机处于巡航模态时，所述系统将重心调整至相对靠近机身尾部的位置，提高巡 航效率；当飞机处于起飞、着陆模态时，所述系统将重心调整至相对靠近机身头部的位置， 改善纵向稳定性和可控性。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统的重心调节规律遵循如下优化准则 调整飞机的重心位置，满足重心允许范围的约束； 调整飞机的重心位置，减少配平阻力； 调整飞机的重心位置，减小燃油消耗，增大航程； 调整飞机的重心位置，根据不同的飞行状态调节纵向升力分布，在整个飞行包线内 实现飞机性能的优化。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述系统获得的最佳燃油传输方案设 计结果，管理与控制燃油系统的油门阀和油泵，根据中央油箱、内侧机翼油箱、外侧机翼油 箱、平衡油箱的油量及其分布情况，控制驱动燃油流动的油泵，管理油门阀的开启和闭合， 通过燃油的传输实现对飞机重心的调节。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包含使用所述系统的应用程序，根据发动机的相关参数能进一步估算重心位置优化前后， 燃油消耗、航程等多项效益指标的变化情况。
全文摘要
一种主动重心控制计算机辅助设计系统，其可应用在计算机系统上，辅助设计人员高效率地完成飞机主动重心控制系统的设计工作。该系统可由设计人员根据设计科目操作视窗的提示输入指定的参数，来完成最佳重心位置、最佳燃油传输方案的设计，并将设计结果以图形显示和数据说明的形式显示在计算机屏幕上，据此进行重心的调节和机载燃油分布的管理；该系统还可由设计人员在操作视窗上选择亚声速或超声速飞行模式，按照提示输入指定的参数和重心优化前后的对比值，估算典型效益参数的变化情况，并以图形和数据的形式显示在计算机屏幕上，以作为专业设计人员是否选用主动重心控制技术的参考依据。
文档编号G06F17/50GK102110177SQ20091024307
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者张晶, 杨凌宇, 申功璋 申请人:北京航空航天大学