專利名稱：地面效應(yīng)模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空工程，是一種地面效應(yīng)模擬器。具體地講，這種模擬器用來在陸地上模擬飛行器在距離地面或水面較近的高度范圍內(nèi)的飛行狀態(tài)，以及用來訓(xùn)練飛行員在這種狀態(tài)下對(duì)飛行器的控制并采取的具體措施的能力。
背景技術(shù)：
地面效應(yīng)常常發(fā)生在飛行器飛行高度較低的時(shí)候。此時(shí)的飛行高度一般小于飛行器機(jī)翼翼展的長(zhǎng)度，例如在飛行器的起飛和降落階段。此時(shí)，飛行器能獲得比空中飛行更高的升阻比(升力與阻力之比)，這種現(xiàn)象被稱作地面效應(yīng)。這種地面或水面的存在對(duì)飛行器周圍流場(chǎng)產(chǎn)生影響會(huì)使飛行器在近地面飛行和在高空飛行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性有很大差異。具體原因在于三維機(jī)翼在飛行過程中會(huì)產(chǎn) 生翼尖渦，但是在離地面較近的時(shí)候，翼尖渦沒有足夠的空間形成，因而沒有形成對(duì)飛行器在高空中飛行時(shí)由翼尖渦產(chǎn)生的下洗的影響。因而，地面效應(yīng)的存在會(huì)使整個(gè)飛行器的上下表面的壓力差增大，升力會(huì)陡然增加，同時(shí)飛行器誘導(dǎo)阻力減小。此種現(xiàn)象主要使用在兩個(gè)地方1.賽車?yán)锰厥庠O(shè)計(jì)的車底來產(chǎn)生向下的升力，來增加賽車的貼地性。如此一來車輪的摩擦力就會(huì)提高，從而令賽車具有更高的車速和轉(zhuǎn)彎性。2.利用機(jī)翼的地面效應(yīng)所產(chǎn)生的強(qiáng)大升力來飛行的特殊飛行器，是一種地面效應(yīng)飛機(jī)，常用于水上運(yùn)輸。地面效應(yīng)對(duì)飛行安全有很大影響。首先，在地面效應(yīng)的作用范圍內(nèi)，飛行器起飛時(shí)雖然感覺飛機(jī)更容易從地面上拉起來，但此時(shí)飛機(jī)處于低速大迎角的范圍，非常接近失速。當(dāng)飛機(jī)爬升超過了地面效應(yīng)的作用范圍以后，翼尖渦流的下洗作用不再被阻擋，開始起作用，造成了迎角進(jìn)一步增大，更接近于失速。此時(shí)飛機(jī)若未能加速到更安全的速度，將有可能進(jìn)入失速狀態(tài)，而此時(shí)的離地高度將難以使飛機(jī)從失速中改出。結(jié)果造成飛行器失控，甚至引發(fā)災(zāi)難。同理，在降落時(shí)，飛機(jī)會(huì)在最后接近地面時(shí)因?yàn)楂@得地面效應(yīng)的過大升力而突然上升，如果不及時(shí)應(yīng)對(duì)，飛機(jī)就會(huì)在減速時(shí)突然急速提升高度，因其降落速度非常接近失速速度，所以極易變成失速的狀態(tài)。而即使只是數(shù)十尺亦可能造成嚴(yán)重甚至致命的意外。因此地面效應(yīng)對(duì)于飛行員來說需要謹(jǐn)慎處理。為了保障飛行器的安全飛行，在飛行器遭遇地面效應(yīng)時(shí)，必須選取可以確保安全的飛行模式?，F(xiàn)代飛行器是在儀表飛行規(guī)則下使用各種飛行安全系統(tǒng)的，飛行員的任務(wù)是實(shí)施飛行控制命令或按照自動(dòng)模式控制飛行器。在這種條件下，當(dāng)飛行器可能遭遇地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的時(shí)候，飛行員和飛行器必須進(jìn)行各自的任務(wù)，完成應(yīng)對(duì)飛行器的地面效應(yīng)的處理。所以必須訓(xùn)練飛行員在相同情況下執(zhí)行任務(wù)的能力，為的是增大他們正確評(píng)估情況、正確判定、執(zhí)行相應(yīng)的飛行操作的能力。這種訓(xùn)練把各種不同的視覺信號(hào)信息提供給他們，目的是給飛行員設(shè)置某些操作序列特征，飛行員記憶操作序列特征，并牢記對(duì)它們的感覺。此夕卜，通過模擬訓(xùn)練可以是飛行員建立對(duì)飛行在地面效應(yīng)期間的感情和壓力的場(chǎng)景。提供一種在陸地上工作的飛行訓(xùn)練模擬器，能對(duì)地面效應(yīng)進(jìn)行合適的模擬，并能訓(xùn)練飛行員完成上述任務(wù)是極其重要的。這種模擬器被稱為地面效應(yīng)模擬器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的飛行模擬器，用以訓(xùn)練飛行員的相應(yīng)的飛行技術(shù)，即執(zhí)行應(yīng)對(duì)地面效應(yīng)操作以避免危險(xiǎn)的技術(shù)。這種地面效應(yīng)模擬器可為接受訓(xùn)練的飛行員提供有關(guān)確定飛行器距離地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離、時(shí)間、進(jìn)入地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)后飛行器表面受力和力矩的分布和強(qiáng)度。同時(shí)，選取操作以避免飛行器遭遇過度地面效應(yīng)。這種在地面效應(yīng)危險(xiǎn)狀態(tài)下用于訓(xùn)練飛行員的飛行技術(shù)的模擬器的表現(xiàn)形式是組成它的各種模塊。這些模塊功能及其連接關(guān)系如下 啟動(dòng)模塊它能夠選取一個(gè)訓(xùn)練方案并啟動(dòng)其它各個(gè)模塊的運(yùn)行。 大氣條件數(shù)據(jù)庫(kù)模塊存儲(chǔ)多種大氣環(huán)境壓力、大氣對(duì)流速度、溫度、濕度等信肩、O
飛行參數(shù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)不同飛行器的外形幾何尺寸、飛行器不同的飛行狀態(tài)信息，如飛行速度、加速度、攻角、偏向角、滾動(dòng)角等。 模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊存儲(chǔ)由大氣數(shù)據(jù)、飛行高度和飛行參數(shù)的各種組合條件下計(jì)算的飛行器表面受力和力矩分布和強(qiáng)度。該模塊包括以下2個(gè)單元(I)原始快照的正交基存儲(chǔ)單元；(2)原始快照特征系數(shù)矩陣存儲(chǔ)單元。 模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊計(jì)算由地面效應(yīng)誘發(fā)的飛行器附加受力和力矩。該模塊包括以下5個(gè)單元(I)受力點(diǎn)選擇單元；(2)所受力積分運(yùn)算單元；(3)所受力矩積分運(yùn)算單元。(4)插值運(yùn)算單元；(5)地面效應(yīng)計(jì)算單元。 模擬報(bào)警模塊按照危險(xiǎn)性判斷準(zhǔn)則，根據(jù)計(jì)算的受力和力矩分布和強(qiáng)度，啟動(dòng)報(bào)警。 計(jì)算從飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離的模塊；根據(jù)大氣條件和飛行參數(shù)計(jì)算飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離和時(shí)間。該模塊包括以下2個(gè)單元(I)插值運(yùn)算單元；(2)從飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離的計(jì)算單元。 模擬外界目視狀態(tài)的模塊根據(jù)飛行器類型、計(jì)算的受力和力矩分布，用視覺模擬技術(shù)繪制并顯示云層、飛行器表面、地面或水面。 模擬飛行員工作區(qū)的模塊配備電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的座椅。 模擬航空儀表板的模塊顯示各種航空儀表，包括地面效應(yīng)報(bào)警顯示窗。 模擬飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K將飛行器的力和力矩、地面效應(yīng)誘發(fā)的附加力和力矩的信號(hào)發(fā)射到模擬飛行員工作區(qū)模塊、模擬航空儀表板模塊和模仿外界目視狀態(tài)模塊。 模擬黑匣子的模塊記錄各種數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)交換、計(jì)算結(jié)果、運(yùn)行程序的中間狀態(tài)信息。


圖I實(shí)施例中的模擬器布局方案圖。圖2實(shí)施例中用于模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊(4)內(nèi)部布局圖。圖3實(shí)施例中用于模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊(5)的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式以一個(gè)具體實(shí)施的例子進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的一種地面效應(yīng)模擬器的原理和結(jié)構(gòu)?！?br> 圖I是地面效應(yīng)模擬器布局的方案圖。該模擬器包括啟動(dòng)模塊(I)、大氣條件數(shù)據(jù)庫(kù)模塊(2)、飛行參數(shù)存儲(chǔ)模塊(3)、模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊(4)、模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊(5)、模擬飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K￠)、計(jì)算從飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離的模塊(7)、模擬報(bào)警模塊(8)、模擬外界目視狀態(tài)的模塊(9)、模擬飛行員工作區(qū)的模塊(10)、模擬航空儀表板的模塊(11)、模擬黑匣子的模塊(12)。該模擬器在陸地上用于訓(xùn)練飛行員在地面效應(yīng)危險(xiǎn)條件下的飛行技術(shù)。啟動(dòng)模塊(I)內(nèi)部設(shè)有延遲電路，與其他各個(gè)模塊相連。功能是為模擬器中各種電子元件加載電源、做必要的儀表清零設(shè)置、預(yù)熱。在完成上述任務(wù)后，進(jìn)入工作模式選擇狀態(tài)。選擇模擬精度(包括數(shù)據(jù)的精度、誤差等級(jí))、選擇案例(決定進(jìn)行模擬的大氣條件、飛行器型號(hào)、飛行狀態(tài))、最后設(shè)定初始時(shí)間為開始計(jì)時(shí)參考。大氣條件數(shù)據(jù)庫(kù)模塊(2)中存儲(chǔ)大氣空環(huán)境壓力、大氣對(duì)流速度、溫度、濕度,是三維空間網(wǎng)格點(diǎn)的形式存儲(chǔ)的。網(wǎng)格間距為I米，空間范圍足夠大，以涵蓋飛行器進(jìn)行起飛和降落期間的飛行距離。同時(shí)對(duì)每個(gè)案例，有經(jīng)過線性插值后獲得的、對(duì)應(yīng)于空間高精度的數(shù)據(jù)備份文件，以備調(diào)用。具體是根據(jù)啟動(dòng)模塊(I)的指示進(jìn)行選擇的。飛行參數(shù)存儲(chǔ)模塊(3)存儲(chǔ)多種型號(hào)的飛行器外形幾何尺寸，是以飛行器表面三維空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的形式儲(chǔ)存的。同時(shí)存儲(chǔ)大量飛行常遇到的飛行參數(shù)，如飛行高度、力口速度、攻角、偏向角、滾動(dòng)角、飛行高度傳感器布置位置等數(shù)據(jù)。根據(jù)啟動(dòng)模塊(I)的指示選擇飛行器型號(hào)和飛行參數(shù)。模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊(4)的功能是存儲(chǔ)、生成大量模擬飛行器地面效應(yīng)的數(shù)據(jù)。該模塊共包含四個(gè)單元，分別是原始快照存儲(chǔ)單元(13)、原始快照的正交基存儲(chǔ)單元
(14)、原始快照的特征系數(shù)矩陣存儲(chǔ)單元(15)、數(shù)據(jù)更新單元(16)。所述的原始快照是通過空中飛行試驗(yàn)、陸地上的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬技術(shù)獲得的、描述飛行器在多種大氣條件和飛行條件下受地面效應(yīng)影響的空氣動(dòng)力學(xué)特性的記錄。圖2是實(shí)施例中用于模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊內(nèi)部布局圖，給出該模塊中的單元之間的關(guān)系。具體說明如下，(I)原始快照存儲(chǔ)單元(13)。原始快照的表現(xiàn)形式是按照飛行器表面各個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值構(gòu)成的一個(gè)多維數(shù)組。例如，原始快照是一個(gè)變量的向量集合，其形式是，W，⑴i = 1，2，…，ns ;
權(quán)利要求
1.一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，該飛行模擬器包括 啟動(dòng)模塊(I); 籲大氣條件數(shù)據(jù)庫(kù)模塊(2); 飛行參數(shù)存儲(chǔ)模塊(3)； 模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊(4)； 模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊(5)； 模擬飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K(6)； 計(jì)算從飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離的模塊(7)； 模擬報(bào)警模塊(8)； 模擬外界目視狀態(tài)的模塊(9)； 模擬飛行員工作區(qū)的模塊(10)； 模擬航空儀表板的模塊(11); 模擬黑匣子的模塊(12)。
2.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，其中所述的模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊⑷包括 原始快照的存儲(chǔ)單元(13) 原始快照的正交基存儲(chǔ)單元(14) 原始快照的特征系數(shù)矩陣存儲(chǔ)單元(15) 數(shù)據(jù)更新單元(16)。
3.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，所述的模擬飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K(6)包括 籲受力點(diǎn)選擇單元(17) 所受力積分運(yùn)算單元(18) 所受力矩積分運(yùn)算單元(19) 插值運(yùn)算單元(20) 地面效應(yīng)計(jì)算單元(21)。
4.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，所述的啟動(dòng)模塊(I)與其他所有模塊和單元相連接。
5.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，所述的大氣條件數(shù)據(jù)庫(kù)模塊(2)、飛行參數(shù)存儲(chǔ)模塊(3)、模擬地面效應(yīng)狀態(tài)的模塊(4)將信息發(fā)送到到模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊(5)。
6.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，所述的模擬飛行器動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K(6)接受模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器影響的模塊(5)的信息，傳送至模擬外界目視狀態(tài)的模塊(9)、模擬飛行員工作區(qū)的模塊(10)、模擬航空儀表板的模塊(11)。
7.按照權(quán)利要求I所述的一種地面效應(yīng)模擬器，其特征在于，所述的模擬報(bào)警模塊(8)接受計(jì)算從飛行器到地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的距離的模塊(7)的信息，傳送給模擬航空儀表板的模塊(11)。
全文摘要
本發(fā)明是一種訓(xùn)練飛行員在地面效應(yīng)條件下，或即將進(jìn)入地面效應(yīng)危險(xiǎn)區(qū)的條件下控制飛行器的能力，以及執(zhí)行操作的地面效應(yīng)模擬器。它包括各種模塊用于模擬地面效應(yīng)對(duì)飛行器擾動(dòng)作用的模塊，可以確定地面效應(yīng)誘導(dǎo)的附加力和力矩；用于計(jì)算從飛行器到地面效應(yīng)的距離的模塊等。
文檔編號(hào)G09B9/16GK102890882SQ201210347970
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者路明 申請(qǐng)人:天津空中代碼工程應(yīng)用軟件開發(fā)有限公司