飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法
【專利摘要】本發明給出了飛行模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法。該方法包括處理復雜模擬系統和大量飛行結冰數值模擬數據結果的規則、構成的飛行結冰狀態空間的結構的形式。該方法主要包括選擇樣本空間、生成樣本空間的自相關系數矩陣、生成樣本空間的特征向量、生成樣本空間的一組正交基、生成樣本空間的特征系數矩陣、樣本空間的特征系數插值、生成飛行結冰狀態空間等步驟。
【專利說明】飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法
1.【技術領域】
[0001]本發明涉及航空工程領域，專門用于飛行模擬器中。飛行結冰狀態空間是指飛行器在多種飛行結冰條件下體現的某些性能的數據集合按照本發明給出的方法重新表達后所組成的數據之間的關系的結構。
2.【背景技術】
[0002]飛行器在一定的飛行高度范圍內穿過云層時，如果遇到符合大氣中的結冰條件的區域，會在飛行器機身表面和一些部件表面上形成冰層，這種現象被稱作飛行結冰。大氣中的結冰條件主要是指大氣中的超冷液態水含量和超冷液態水滴的尺度。飛行器的飛行結冰首先影響飛行器的空氣動力學特性，例如會增加重量、增大阻力、破壞失速特性。此外，一些重要的控制表面上的結冰將極大影響飛行器的操縱性。例如，飛行結冰會妨礙襟翼活動、堵塞空速管，嚴重時將引發事故和災難。
[0003]為了保障飛行器的安全飛行，在飛行器遭遇飛行結冰時，必須選取可以確保安全的飛行模式，飛行員的任務是實施飛行控制命令或按照自動模式控制飛行器。因而，提供一種在陸地上的飛行模擬器，能對高空中的飛行結冰進行合適的模擬，訓練飛行員完成上述任務是極其重要的。這種模擬器被稱為飛行結冰模擬器。飛行結冰模擬器通過將飛行器的飛行結冰這一物理過程再現，以訓練飛行員在相同情況下執行任務的能力，以及建立對飛行結冰期間的感情和壓力的場景。具體地講，模擬器可以根據不同的大氣條件，如大氣壓力、溫度、密度、超冷液態水含量、水滴直徑的分布等數據，以及不同的飛行條件，如飛行器型號(外形)、飛行速度、攻角、馬赫數、雷諾數等參數構成多種訓練方案，工作時根據不同的訓練方案模擬出飛行器的結冰狀態，如結冰位置、結冰形狀、結冰時間等信息。
[0004]飛行結冰模擬器和其他大多數模擬器一樣，都是將外界的物理過程用數學模型表達出來，再將數學模型中的算法和流程用集成電路體現。模擬器工作時，根據要模擬的條件給出數學模型的輸入信號，集成電路依靠數學模型的運算得出模擬結果，并輸出信號。輸出的信號可以是數字信號、模擬信號、機械信號等形式。飛行結冰模擬器中的有關飛行結冰模擬需要進行實時模擬，即飛行器的飛行結冰達到某種狀態所需的時間和模擬器模擬這一過程所需要的時間具有相同的時間尺度，在同一個數量級。
[0005]理論上，必須將飛行器可能遇到的所有的結冰狀態收集起來，儲存在模擬器中，作為訓練方案的數據庫。使用時按照飛行條件、大氣條件或者其他標準直接從數據庫調用。實際中，通常的解決方法是在某些飛行條件下、某些大氣條件下，用計算流力學的數值模擬技術求解原飛行結冰模型系統，獲得飛行結冰狀態的數值解，或者利用一些實驗結果，一起作為飛行器飛行結冰條件下的結冰狀態的代表，形成一個“樣本空間”。現實中這些原始樣本的個數是有限的，無法涵蓋各種飛行、大氣條件。為達到飛行結冰模擬器的要求，必須對這些已知的飛行結冰條件下體現的某些性能的數據集合重新表達，組成的數據之間的關系的結構以備模擬器工作時調用，滿足各種飛行、大氣條件。這個數據關系結構被稱作飛行結冰狀態空間。3.
【發明內容】
[0006]本發明給出了飛行模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法。該方法包括處理復雜模擬系統和大量飛行結冰數值模擬數據結果的規則、構成的飛行結冰狀態空間的結構的形式。這個狀態空間專門應用于飛行模擬器中，它以一個數據庫的形式存儲在模擬器的硬件中，并通過數據線實現數據調用，用來完成飛行器飛行結冰的實時模擬的功能。在一個新的飛行條件或大氣條件下，模擬器可以調用這個結冰狀態空間，數學形式是新的飛行條件或大氣條件在這個結冰狀態空間的數據中進行運算，在合理的時間之內求得這個新的條件下的飛行結冰狀態。
[0007]圖1是飛行結冰的狀態空間的生成流程圖。圖中表示的過程具體如下:
[0008]第一步:選擇樣本空間。
[0009]為獲得結冰狀態空間，首先需要獲得飛行器在已知的飛行參數下，飛行器表面結冰位置、結冰形狀、結冰時間的樣本空間。其生成方法除了采用一些有限的空中實驗和陸地上的冰風洞實驗結果外，主要依靠對各種飛行參數進行排列組合后，由計算流體力學的數值模擬技術生成。樣本空間以某一時刻飛行器表面的各個坐標點上的數據組成的向量表示。多個樣本形成多個向量。所以，樣本空間是一個變量構成的向量的集合，其形式是，
[0010]
【權利要求】
1.一種飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)選擇樣本空間； (2)生成樣本空間的自相關系數矩陣； (3)生成樣本空間的特征向量； (4)生成樣本空間的一組正交基； (5)生成樣本空間的特征系數矩陣； (6)樣本空間的特征系數插值； (7)生成飛行結冰狀態空間。
2.根據權利要求1所述的一種飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法，其中所述的樣本空間是ns個飛行器表面的各個坐標點上的數據組成的N維的向量集合，其形式是{Uij}, i = I, 2,..., ns ； j = I, 2,..., N,其中ns是樣本的個數；N是坐標點數。
3.根據權利要求1所述的一種飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法，其中所述的樣本空間的一組正交基的表現形式是ns個N維正交基向量的集合，其生成方法的表現形式是
4.根據權利要求1所述的一種飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法，其中所述的樣本空間的特征系數矩陣是一個ns行、ns列的方陣，其生成方法的表現形式是
5.根據權利要求1所述的一種飛行結冰模擬器中建立飛行結冰狀態空間的方法，其中所述的飛行結冰狀態空間的表現形式是t個飛行器表面的各個坐標點上的數據組成的N維的向量集合，其生成方法的表現形式是
【文檔編號】G06F19/00GK103902797SQ201210580047
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月28日 優先權日:2012年12月28日
【發明者】路明 申請人:西安遠景動力模擬技術有限公司