飛行實(shí)時(shí)仿真中的微下?lián)舯┝鹘Ｑ芯?/h1>
2017-11-09 03:08:48王云張志強(qiáng)孫雙雙楊衍舒韓立
教練機(jī) 2017年3期
王云，張志強(qiáng)，孫雙雙，楊衍舒，韓立
（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）
飛行實(shí)時(shí)仿真中的微下?lián)舯┝鹘Ｑ芯?/p>
王云，張志強(qiáng)，孫雙雙，楊衍舒，韓立
（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）
在飛行模擬器研制過(guò)程中，為使飛行仿真系統(tǒng)能夠高逼真度的模擬大氣擾動(dòng)對(duì)飛行的影響，需要建立各種風(fēng)場(chǎng)模型。本文分析了微下?lián)舯┝鞯奶卣骱陀糜陲w行實(shí)時(shí)仿真中的建模需求。針對(duì)真實(shí)微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不同強(qiáng)度及位置的微下?lián)舯┝?，從而逼真地模擬復(fù)雜的微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)?；陲w機(jī)與微下?lián)舯┝鞯南鄬?duì)位置關(guān)系插值計(jì)算微下?lián)舯┝鳟a(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)模型，使用該建模方法可重配置，能應(yīng)用于變化風(fēng)場(chǎng)中的飛行實(shí)時(shí)仿真，有助于提高模擬飛行訓(xùn)練效果。
大氣擾動(dòng)；微下?lián)舯┝?；風(fēng)場(chǎng)模型；飛行實(shí)時(shí)仿真
0 引言
低空風(fēng)切變是指600m以下空氣層中風(fēng)向和風(fēng)速突然變化的現(xiàn)象，它是飛機(jī)起飛、著陸階段威脅飛行安全的主要危險(xiǎn)天氣。在各類低空風(fēng)切變中，對(duì)飛行安全危害最為嚴(yán)重的是外流水平范圍通常在4km以內(nèi)的微下?lián)舯┝鳌?/p>
飛機(jī)在起飛或進(jìn)場(chǎng)著陸過(guò)程中，首先遇到微下?lián)舯┝魍饬鞯哪骘L(fēng)分量，升力增加，飛機(jī)上仰，為了保持一定的空速和下降率，飛行員通常會(huì)收油門以減小空速。但很快飛機(jī)遇到下沉氣流，若飛機(jī)高度或空速不足時(shí)很容易被下沖氣流直接沖擊墜地。飛機(jī)通過(guò)下沖氣流后進(jìn)入強(qiáng)烈的順風(fēng)氣流區(qū)域，順風(fēng)氣流將使飛機(jī)的升力急劇下降，進(jìn)入失速狀態(tài)，在如此低的高度和空速下，飛行員基本沒(méi)有空間和時(shí)間來(lái)恢復(fù)控制飛機(jī)，從而導(dǎo)致飛機(jī)墜地。
飛機(jī)穿越微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)如圖1所示。
在現(xiàn)代飛行模擬器上，飛行教員可設(shè)置不同強(qiáng)度和范圍的微下?lián)舯┝鞯葰庀筇厍閬?lái)考察飛行員的應(yīng)變能力和飛行技術(shù)。
本文通過(guò)比較飛機(jī)與設(shè)置的微下?lián)舯┝鞯南鄬?duì)距離及高度關(guān)系模擬生成復(fù)雜的微下?lián)舯┝鲌?chǎng)，其中用于插值計(jì)算的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反復(fù)校對(duì)。該模型為模擬大氣擾動(dòng)對(duì)飛行的影響提供了依據(jù)，可移植到各類機(jī)種的飛行仿真中，具有普遍的實(shí)用價(jià)值。
1 設(shè)計(jì)思路
該模型根據(jù)教員設(shè)置指令實(shí)現(xiàn)對(duì)微下?lián)舯┝鞯哪M，設(shè)計(jì)步驟為：
1）輸入教員設(shè)置的微下?lián)舯┝骰緟?shù)：微下?lián)舯┝髦行呐c飛機(jī)的水平距離，中心方位角，強(qiáng)度。
2）通過(guò)上述設(shè)置參數(shù)計(jì)算飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡南鄬?duì)高度及相對(duì)水平距離關(guān)系，即高度參數(shù)、距離參數(shù)，并通過(guò)二維線性插值計(jì)算微下?lián)舯┝魉a(chǎn)生的水平及垂直風(fēng)速。
3）通過(guò)坐標(biāo)系軸之間的轉(zhuǎn)換，得到微下?lián)舯┝髟诖蟮刈鴺?biāo)系及機(jī)體坐標(biāo)系下的三軸風(fēng)速和風(fēng)向，并通過(guò)六自由度方程最終解算得到飛機(jī)的響應(yīng)。
2 建立模型
1)計(jì)算高度參數(shù)和距離參數(shù)微下?lián)舯┝鳒u半徑為：
式中:ηMBI—微下?lián)舯┝鲝?qiáng)度，范圍為0-100。
微下?lián)舯┝黜敻叨葹椋?/p>
飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡南鄬?duì)位置在大地坐標(biāo)系下的分量為：
式中：RMB—飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡乃骄嚯x；
ΨMBA為微下?lián)舯┝髦行姆轿唤牵?/p>
ATD為機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換大地坐標(biāo)系的方向余弦。
飛機(jī)到微下?lián)舯┝髦行牡乃骄嚯x為：
微下?lián)舯┝骶嚯x參數(shù)為：
微下?lián)舯┝鞲叨葏?shù)為：
式中：HCG-飛機(jī)離地高度。
2)插值計(jì)算水平和垂直風(fēng)速
微下?lián)舯┝魉斤L(fēng)分量為：
微下?lián)舯┝鞔怪憋L(fēng)分量為：
式中：fHN和fVN為二維線性插值數(shù)據(jù)。
修正后的微下?lián)舯┝魉斤L(fēng)分量、垂直分量為：
式中：ηMBIT=ηMBI×150%,εMBGE=fMBGE(HCG)為地效因子，fMBGE為線性插值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 離地高度與地效因子數(shù)據(jù)
3 仿真試驗(yàn)
根據(jù)以上的算法推導(dǎo)，在某型飛行訓(xùn)練模擬器飛行中，通過(guò)教員設(shè)置微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)，微下?lián)舯┝髦行脑陲w機(jī)正前方5000米，強(qiáng)度為100。利用C++建立微下?lián)舯┝鞯姆抡婺Ｐ图癕ATLAB軟件輸出結(jié)果。最終仿真得出飛機(jī)穿過(guò)微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，飛行狀態(tài)如圖2～圖6所示。
4 試驗(yàn)分析
從圖2、圖3的x軸向風(fēng)速可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，遇上逐漸增大的逆風(fēng)，隨著飛機(jī)逐漸靠近微下?lián)舯┝髦行?，逆風(fēng)再逐漸減小。飛機(jī)通過(guò)微下?lián)舯┝髦行暮?，順風(fēng)逐漸增大，隨著飛機(jī)逐漸遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝?，順風(fēng)又逐漸減小至零。
從圖2、圖3的y軸可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，有一定垂直向上的風(fēng)速。隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行?，遇到下沉氣流，垂直向下的風(fēng)速急劇增大。飛機(jī)通過(guò)下沉氣流區(qū)域后，又產(chǎn)生有一定的垂直向上風(fēng)速。直至飛機(jī)遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
從圖2、圖3的z軸可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，有一定側(cè)向的風(fēng)速，隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行模瑐?cè)向風(fēng)速增大。飛機(jī)通過(guò)中心后，側(cè)向風(fēng)速逐漸減小，直至飛機(jī)遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
從圖2、圖3可以看出，微下?lián)舯┝鞯挠绊憛^(qū)域大約為4000m范圍。
從圖2～圖6可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，速度增加，飛機(jī)上仰，向上爬升。隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行?，飛機(jī)速度和高度急劇下降，為了保證飛機(jī)不會(huì)墜地，將油門位置推至最大，駕駛桿縱向位置拉至最后，飛機(jī)加速向上爬升，直至通過(guò)下沉氣流區(qū)域，遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
對(duì)比文獻(xiàn)[3]、[4]可以看出，用該模型模擬的風(fēng)場(chǎng)較好地符合了數(shù)值模擬產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)。
5 結(jié)語(yǔ)
飛行中遭遇風(fēng)切變是一個(gè)極為困難和復(fù)雜的問(wèn)題。能給飛行員作出反應(yīng)，采取措施，控制飛行軌跡直到飛出風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間非常短促，為了迅速而準(zhǔn)確地作出反應(yīng)，飛行員應(yīng)了解風(fēng)切變的存在及其性質(zhì)，對(duì)自己所駕飛機(jī)能否通過(guò)風(fēng)切變進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，作出正確的決斷。因此，在典型的飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)——飛行模擬器中加入微下?lián)舯┝鞯哪Ｐ?，用于?xùn)練飛行員并考察飛行員的操縱技術(shù)和處置能力則非常重要。
在實(shí)際的大氣擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中，微下?lián)舯┝鞒３＿€伴隨著大氣紊流、地形擾動(dòng)(如山體)等多種復(fù)雜氣象情況同時(shí)出現(xiàn)。
本文建立的仿真模型在一定程度上滿足了風(fēng)場(chǎng)的模擬，可為以后的研究開發(fā)和改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，為完善設(shè)計(jì)目標(biāo)提供理論依據(jù)。
[1]肖業(yè)倫,金長(zhǎng)江.大氣擾動(dòng)中的飛行原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.
[2]章澄昌.飛行氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2000.
[3]高振興，顧宏斌。用于飛行實(shí)時(shí)仿真的微下?lián)舯┝鹘Ｑ芯縖J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(23):6524-6534.。
[4]Xiaoling He,Jeffrey W Hodgson.Modeling and Simulation for Hybrid Electric災(zāi)ehicles-Part I:Modeling[J].IEEE Intelligent Transportation Systems(S1524-9050),2002,3(4):235-243.
Research on Micro Burst Modeling in Real-time Flight Simulation
Wang Yun,Zhang Zhiqiang,Sun Shuangshuang,Yang Yanshu,Han Li
(A災(zāi)IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)
In the development of flight simulator,it is required to build various wind-field models to make flight simulation system realistically simulate the effect on flight by atmospheric disturbance.This paper analyzes the characteristics of micro burst and modeling requirements in real-time flight training.Based on the characteristics of real micro burst wind field,micro bursts which are with various strength and in various locations are designed to livingly simulate complex micro burst wind field.The wind field model generated by micro burst is calculated based on the relative position interpolation of aircraft and micro burst.This modeling method can be re-configured and can be used for real-time flight simulation in changeable wind field,which is helpful for improving the training effect of simulated flight.
Atmospheric disturbance；Micro burst；Wind field model；Real-time flight simulation
2017-08-03）
>>>作者簡(jiǎn)介 王云，女，1989年2月出生，2013年畢業(yè)于杭州電子科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)仿真技術(shù)研究和飛行訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)工作。
版權(quán)聲明
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《教練機(jī)》編輯部
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王云，張志強(qiáng)，孫雙雙，楊衍舒，韓立
（航空工業(yè)洪都，江西南昌330024）
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大氣擾動(dòng)；微下?lián)舯┝?；風(fēng)場(chǎng)模型；飛行實(shí)時(shí)仿真
0 引言
低空風(fēng)切變是指600m以下空氣層中風(fēng)向和風(fēng)速突然變化的現(xiàn)象，它是飛機(jī)起飛、著陸階段威脅飛行安全的主要危險(xiǎn)天氣。在各類低空風(fēng)切變中，對(duì)飛行安全危害最為嚴(yán)重的是外流水平范圍通常在4km以內(nèi)的微下?lián)舯┝鳌?/p>
飛機(jī)在起飛或進(jìn)場(chǎng)著陸過(guò)程中，首先遇到微下?lián)舯┝魍饬鞯哪骘L(fēng)分量，升力增加，飛機(jī)上仰，為了保持一定的空速和下降率，飛行員通常會(huì)收油門以減小空速。但很快飛機(jī)遇到下沉氣流，若飛機(jī)高度或空速不足時(shí)很容易被下沖氣流直接沖擊墜地。飛機(jī)通過(guò)下沖氣流后進(jìn)入強(qiáng)烈的順風(fēng)氣流區(qū)域，順風(fēng)氣流將使飛機(jī)的升力急劇下降，進(jìn)入失速狀態(tài)，在如此低的高度和空速下，飛行員基本沒(méi)有空間和時(shí)間來(lái)恢復(fù)控制飛機(jī)，從而導(dǎo)致飛機(jī)墜地。
飛機(jī)穿越微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)如圖1所示。
在現(xiàn)代飛行模擬器上，飛行教員可設(shè)置不同強(qiáng)度和范圍的微下?lián)舯┝鞯葰庀筇厍閬?lái)考察飛行員的應(yīng)變能力和飛行技術(shù)。
本文通過(guò)比較飛機(jī)與設(shè)置的微下?lián)舯┝鞯南鄬?duì)距離及高度關(guān)系模擬生成復(fù)雜的微下?lián)舯┝鲌?chǎng)，其中用于插值計(jì)算的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反復(fù)校對(duì)。該模型為模擬大氣擾動(dòng)對(duì)飛行的影響提供了依據(jù)，可移植到各類機(jī)種的飛行仿真中，具有普遍的實(shí)用價(jià)值。
1 設(shè)計(jì)思路
該模型根據(jù)教員設(shè)置指令實(shí)現(xiàn)對(duì)微下?lián)舯┝鞯哪M，設(shè)計(jì)步驟為：
1）輸入教員設(shè)置的微下?lián)舯┝骰緟?shù)：微下?lián)舯┝髦行呐c飛機(jī)的水平距離，中心方位角，強(qiáng)度。
2）通過(guò)上述設(shè)置參數(shù)計(jì)算飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡南鄬?duì)高度及相對(duì)水平距離關(guān)系，即高度參數(shù)、距離參數(shù)，并通過(guò)二維線性插值計(jì)算微下?lián)舯┝魉a(chǎn)生的水平及垂直風(fēng)速。
3）通過(guò)坐標(biāo)系軸之間的轉(zhuǎn)換，得到微下?lián)舯┝髟诖蟮刈鴺?biāo)系及機(jī)體坐標(biāo)系下的三軸風(fēng)速和風(fēng)向，并通過(guò)六自由度方程最終解算得到飛機(jī)的響應(yīng)。
2 建立模型
1)計(jì)算高度參數(shù)和距離參數(shù)微下?lián)舯┝鳒u半徑為：
式中:ηMBI—微下?lián)舯┝鲝?qiáng)度，范圍為0-100。
微下?lián)舯┝黜敻叨葹椋?/p>
飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡南鄬?duì)位置在大地坐標(biāo)系下的分量為：
式中：RMB—飛機(jī)與微下?lián)舯┝髦行牡乃骄嚯x；
ΨMBA為微下?lián)舯┝髦行姆轿唤牵?/p>
ATD為機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換大地坐標(biāo)系的方向余弦。
飛機(jī)到微下?lián)舯┝髦行牡乃骄嚯x為：
微下?lián)舯┝骶嚯x參數(shù)為：
微下?lián)舯┝鞲叨葏?shù)為：
式中：HCG-飛機(jī)離地高度。
2)插值計(jì)算水平和垂直風(fēng)速
微下?lián)舯┝魉斤L(fēng)分量為：
微下?lián)舯┝鞔怪憋L(fēng)分量為：
式中：fHN和fVN為二維線性插值數(shù)據(jù)。
修正后的微下?lián)舯┝魉斤L(fēng)分量、垂直分量為：
式中：ηMBIT=ηMBI×150%,εMBGE=fMBGE(HCG)為地效因子，fMBGE為線性插值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 離地高度與地效因子數(shù)據(jù)
3 仿真試驗(yàn)
根據(jù)以上的算法推導(dǎo)，在某型飛行訓(xùn)練模擬器飛行中，通過(guò)教員設(shè)置微下?lián)舯┝黠L(fēng)場(chǎng)，微下?lián)舯┝髦行脑陲w機(jī)正前方5000米，強(qiáng)度為100。利用C++建立微下?lián)舯┝鞯姆抡婺Ｐ图癕ATLAB軟件輸出結(jié)果。最終仿真得出飛機(jī)穿過(guò)微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，飛行狀態(tài)如圖2～圖6所示。
4 試驗(yàn)分析
從圖2、圖3的x軸向風(fēng)速可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，遇上逐漸增大的逆風(fēng)，隨著飛機(jī)逐漸靠近微下?lián)舯┝髦行?，逆風(fēng)再逐漸減小。飛機(jī)通過(guò)微下?lián)舯┝髦行暮?，順風(fēng)逐漸增大，隨著飛機(jī)逐漸遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝?，順風(fēng)又逐漸減小至零。
從圖2、圖3的y軸可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，有一定垂直向上的風(fēng)速。隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行?，遇到下沉氣流，垂直向下的風(fēng)速急劇增大。飛機(jī)通過(guò)下沉氣流區(qū)域后，又產(chǎn)生有一定的垂直向上風(fēng)速。直至飛機(jī)遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
從圖2、圖3的z軸可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，有一定側(cè)向的風(fēng)速，隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行模瑐?cè)向風(fēng)速增大。飛機(jī)通過(guò)中心后，側(cè)向風(fēng)速逐漸減小，直至飛機(jī)遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
從圖2、圖3可以看出，微下?lián)舯┝鞯挠绊憛^(qū)域大約為4000m范圍。
從圖2～圖6可以看出，飛機(jī)剛進(jìn)入微下?lián)舯┝鲄^(qū)域，速度增加，飛機(jī)上仰，向上爬升。隨著飛機(jī)靠近微下?lián)舯┝髦行?，飛機(jī)速度和高度急劇下降，為了保證飛機(jī)不會(huì)墜地，將油門位置推至最大，駕駛桿縱向位置拉至最后，飛機(jī)加速向上爬升，直至通過(guò)下沉氣流區(qū)域，遠(yuǎn)離微下?lián)舯┝鲄^(qū)域。
對(duì)比文獻(xiàn)[3]、[4]可以看出，用該模型模擬的風(fēng)場(chǎng)較好地符合了數(shù)值模擬產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)。
5 結(jié)語(yǔ)
飛行中遭遇風(fēng)切變是一個(gè)極為困難和復(fù)雜的問(wèn)題。能給飛行員作出反應(yīng)，采取措施，控制飛行軌跡直到飛出風(fēng)場(chǎng)的時(shí)間非常短促，為了迅速而準(zhǔn)確地作出反應(yīng)，飛行員應(yīng)了解風(fēng)切變的存在及其性質(zhì)，對(duì)自己所駕飛機(jī)能否通過(guò)風(fēng)切變進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，作出正確的決斷。因此，在典型的飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)——飛行模擬器中加入微下?lián)舯┝鞯哪Ｐ?，用于?xùn)練飛行員并考察飛行員的操縱技術(shù)和處置能力則非常重要。
在實(shí)際的大氣擾動(dòng)風(fēng)場(chǎng)中，微下?lián)舯┝鞒３＿€伴隨著大氣紊流、地形擾動(dòng)(如山體)等多種復(fù)雜氣象情況同時(shí)出現(xiàn)。
本文建立的仿真模型在一定程度上滿足了風(fēng)場(chǎng)的模擬，可為以后的研究開發(fā)和改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，為完善設(shè)計(jì)目標(biāo)提供理論依據(jù)。
[1]肖業(yè)倫,金長(zhǎng)江.大氣擾動(dòng)中的飛行原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.
[2]章澄昌.飛行氣象學(xué)[M].北京：氣象出版社，2000.
[3]高振興，顧宏斌。用于飛行實(shí)時(shí)仿真的微下?lián)舯┝鹘Ｑ芯縖J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(23):6524-6534.。
[4]Xiaoling He,Jeffrey W Hodgson.Modeling and Simulation for Hybrid Electric災(zāi)ehicles-Part I:Modeling[J].IEEE Intelligent Transportation Systems(S1524-9050),2002,3(4):235-243.
Research on Micro Burst Modeling in Real-time Flight Simulation
Wang Yun,Zhang Zhiqiang,Sun Shuangshuang,Yang Yanshu,Han Li
(A災(zāi)IC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi 330024)
In the development of flight simulator,it is required to build various wind-field models to make flight simulation system realistically simulate the effect on flight by atmospheric disturbance.This paper analyzes the characteristics of micro burst and modeling requirements in real-time flight training.Based on the characteristics of real micro burst wind field,micro bursts which are with various strength and in various locations are designed to livingly simulate complex micro burst wind field.The wind field model generated by micro burst is calculated based on the relative position interpolation of aircraft and micro burst.This modeling method can be re-configured and can be used for real-time flight simulation in changeable wind field,which is helpful for improving the training effect of simulated flight.
Atmospheric disturbance；Micro burst；Wind field model；Real-time flight simulation
2017-08-03）
>>>作者簡(jiǎn)介 王云，女，1989年2月出生，2013年畢業(yè)于杭州電子科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)仿真技術(shù)研究和飛行訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)工作。
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《教練機(jī)》編輯部
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