一种直升机模拟器大气环境仿真模型设计_刘海峰.pdf

-109-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期四星推荐近年来，航空器飞行仿真水平日益提升，由于直升机驾驶和操纵难度极高，直升机模拟器在直升机飞行员训练过程中发挥着日益显著的作用。世界各国在直升机模拟训练的许多新概念、新技术、新方法等方面进行了许多新的探索和研究，直升机模拟器在直升机飞行训练领域发挥着越来越重要的作用，主要表现在：直升机模拟器在安全、可控、经济等方面相比真机训练具有显著优势；在科目训练方面，直升机模拟器可以更有针对性地实施故障特情飞行训练、飞行应急处置训练等，组织训练时可以不受训练环境、训练场地、训练时间等各种不确定因素的限制，训练组织更加灵活便捷。此外，直升机模拟器在飞行器设计阶段还可以作为设计方法的验证平台。随着我国各领域应用的直升机数量增加，直升机飞行员训练体系发展更为科学完善，行业内对于更好性能、更高等级的直升机模拟器有了更加迫切的需求。直升机飞行模拟器的结构复杂，需要对包括航电仪表、飞行动力学系统、导航系统、综合环境系统、运动系统、发动机系统及视景系统在内的直升机飞行仿真相关系统进行精确建模和集成，直升机模拟器可以为直升机飞行员提供真机般逼真的仿真环境，性能良好、等级较高的直升机模拟器在直升机飞行员训练体系中发挥越来越重要的作用，越来越受到用户的认可。大气环境仿真是模拟器的重要组成部分，主要包含：气象环境仿真和风场环境仿真，可为模拟器提供训练区域的大气温度、大气密度、大气压力、风速、风向等影响直升机飞行和操控的气象要素模拟，实现随机紊流、阵风、风切变等特殊风场。目前国内直升机模拟器大气环境仿真模型多以功能仿真为主，未形成基于模型方式的通用化建模方式。本设计的大气环境仿真模型构建方法基于 Simulink+QT 平台利用模块化设计理念建立通用大气环境仿真模型，包含气象环境模拟部件、风场环境模拟部件。这种建模方法具有较强的通用性，通过配置调整模拟部件参数、新增或删减子部件即可适配其他模拟器环境建模需求。本设计首先介绍直升机模拟器大气环境仿真模型的架构，详细说明了直升机模拟器大气环境模型的构成。第二章，分两个部分详细说明了气象环境仿真和风场环境仿真的背景意义、理论模型和建模方法。其中，气象环境仿真模块提供直升机当前位置的音速、大气密度、大气温度等精确大气环境数据，风场环境仿真提供包括对风切变、紊流、突风的模拟。第三章介绍了大气环境仿真模型在直升机模拟器系统中的调行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种直升机模拟器大气环境仿真模型设计刘海峰 朱 岭 周 攀刘海峰 朱 岭 周 攀 中航直升机有限责任公司 中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-110-四星推荐用方法，第四章描述了大气环境仿真模型在直升机模拟器中的应用，最后总结了本文提出的直升机模拟器大气环境仿真模型构建方法的亮点。仿真模型架构设计直升机飞行训练模拟器是一个人在回路的实时仿真系统，包括大气环境仿真模型在内的各模块都需满足模拟器仿真实时性要求。要保障整个模拟器的实时性，就要严格控制各组成子系统的运行周期，同时保证各系统之间数据交互的高速性。大气环境仿真模型接收其他分系统传送的直升机位置、飞行状态信息、环境设置等输入数据，经过大气环境仿真模型解算输出风速、风向、气象环境等环境信息，输出的数据主要作为直升机性能仿真子系统的输入数据、视景显示子系统的输入数据、航电仪表子系统的输入数据等。本文描述的用于直升机模拟器的大气环境仿真模型分为如下两大模拟部件：气象环境模拟部件：主要包括训练区域的大气温度、大气密度、大气压力、音速模拟；风场环境模拟部件：主要包括实现随机紊流、阵风、风切变等特殊风场的模拟。气象环境仿真气象环境仿真模块提供直升机当前位置的音速、大气密度、大气温度和大气压力等精确大气环境数据，对提高气动仿真精度至关重要，也是保证模拟器航电系统仿真精度的必要条件。气象模型采用的是气温垂直递减率（Lapse Rate）模型，Lapse Rate 模型根据气压高度将大气层分为对流层（914.411 000m）、平流层（11 00020 000m）和光化层（20 00032 004m），由于直升机一般在对流层飞行，故模型只需考虑对流层气象环境变化。国际标准大气中以平均海平面作为零高度，规定在海平面上，大气温度T0=287.0531K（15），压强P0=101 325Pa，密度0=1.225kg/s2。大气温度会随着海拔高度的升高而变化。在对流层中，高度升高，温度降低。大气温度计算公式为：T=T0-Lh （2.1）式中，T 为当前海拔高度温度（），T0为标准海平面温度（），L=-0.006 5/m为温度下降率。随着海拔的升高，气压将随之降低。在标准大气模型中，大气压力计算公式为：00SgLRPPTT=|（2.2）式 中，P为 大 气 压 力（Pa），Rs为 大 气 常 数（8 314.32Nm/kmol/K）。已知温度和空气压力，利用气体定律，大气密度的计算公式可以表示为：100()SgLRTT=（2.3）当前飞行高度声速的计算公式为aRT=。气象环境仿真模块的输入和输出数据如表 1 所示。表 1 气象仿真模块输入和输出数据输入数据物理意义字母备注P0海平面气压P0T0海平面气温T0rho0海平面密度r0h_trop对流层高度htropHeight当前气压高度h输出数据物理意义字母Air Pressure当前气压PTemperature当前气温TSpeed of Sound当前音速aAir Density当前空气密度r气象模型是根据上述气温垂直递减率（Lapse Rate）模型构建的，如图1，模型的输入量为气压高度，参考高度（海平面）的大气密度、气压和温度。输出量为当前高度对应的声速、气温、大气压力和大气密度。风场环境仿真风场环境模拟主要用于提供训练区域的特殊风场环境，实现紊流、阵风、风切变等特殊风场的仿真。由于直升机飞行高度较低，低空风切变等特殊风场使得直升机驾驶人员面临的安全风险十分严峻。为此，深入研究分析大气环境中特殊风场特性，设计构建直升机模拟器特殊风场模型，在直升机模拟训练器中为直升机飞行人员提供逼真的风场环境，有助于减少特殊风场带来的安全事故，对直升机飞行训练具有十分重要的意义。风切变模拟根据相关气象监测数据，风切变现象往往出现在直升机飞行的低空高度，由于直升机飞行区域周边的大气流场发生改变，将造成直升机空速的变化，改变直升机升力，升力的变化会导致直升机的飞行高度出现骤然波动，对直升机飞行安全带来极大风险。研究表明，微下击暴流风切变是各类风切变类型中最危险的一种。图 2 为下击暴流流场结构图，可以看到在出流前沿有一水平环状涡管存在，在涡环下方近地面水平速度达到极大值。本文描述的风切变仿真模型将采用以下微下击暴流数值模式拟合的风切变工程化模型，其表达式为：水平风速：-5max2.6 10()sin(),24.095 ln()sin(),10002xmmmhmmrwhhhhrwhrhhr|=|（2.4）垂直风速：3.632 ln()cos(),23.632 ln()cos(),2mmmvmmmhrhhhrwhrhhhr|=|（2.5）wxmax是最大出流速度，rm和hm是半径和高度，微下-111-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期四星推荐击暴流的强度和作用范围可以通过改变这三个参数的大小来相应改变；r=x-r0，r0=2km。模型的适用条件为：r 2 000m，h 500m。以上模型参数可取如下值：最大出流速度wxmax=5m/s，rm=600m，hm=500m，得到风切变模型输出的风速矢量：hwshearhvwww|=|V对于平均风速剖面，风切变大小由下式给出，它是一个以高度和地面上 20 ft 处测量的风速值为变量的函数。0200ln(),3ft h 1000ft20ln()whzuWz=（2.6）其中，uw是平均风速，W20是在20英高度上测量的风速，h是高度，z0是一个常数，对于 C 类飞行阶段，z0等于 0.15，对于其他飞行阶段，z0等于 2.0。C 类飞行阶段规定为终端飞行阶段，包括起飞，进场和着陆。得到的地轴系下的平均风速，通过乘以输入到模块的方向余弦矩阵，转换到体坐标系。模块输出的是体坐标系下的平均风速。在Simulink软件中构建的风切变仿真模型如图3所示。紊流模拟根据大量实验测量和统计数据，Von Karman 提出了大气紊流的能量频谱函数：()()()4217/625591aLLEaL=+（2.7）其中：L 为紊流尺度；为紊流强度；为空间频率；a=1.339。由此 Von Karman 得出反映大气数理统计特性的三方向紊流速度分量频谱函数：()()25/62211uuuuLaL=+（2.8）()()()()2211/6218 32212vvvvvaLLaL+=+（2.9）()()()()2211/6218 32212wwwwwaLLaL+=+（2.10）其中：Lu、Lv、Lw为三方向紊流作用范围长度；u、v、w为三方向紊流强度分量；为紊流速度沿三轴变化的空间频率；a=1.339。进行实时仿真时，将上述空间频谱表达式转化为时间频谱为（一维情况）：图 3 风切变仿真模型图 2 微下击暴流图 1 气象环境仿真模型中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-112-四星推荐()25/62211uuuuLVaLV=+|（2.11）()()2211/6218 32212vvvvvaLLVVaLV+|=+|（2.12）()()2211/6218 32212wwwwwaLLVVaLV+|=+|（2.13）其中：为圆频率或时间频率，且=V；V 为飞行器真实空速；Lu、Lv、Lw为三方向紊流作用范围长度；u、v、w为三方向紊流强度分量；a=1.339。在 FLIGHTLAB 软 件 中，ATMTUR（Atmospheric Turbulence）大气紊流模块即是基于 Von Karman 模型对大气紊流进行随机描述的。在旋翼飞行器广域紊流建模中，通常假设紊流是多维、均匀和各向同性的，且假设Taylor（泰勒）冻结场成立。紊流强度和紊流尺度 L 由气象条件决定。若空间频率定义为包含三个元素（，v，k）且方向分别沿着（Xi，Yi，Zi）。则在惯性坐标系中有：(),=222=+则一维和二维谱密度函数可分别写出：()()()()22111/6218 3421DaLLSaL+=+（2.14）()()()()422227/32224,91DaLSaL +=+（2.15）其中：a=1.339。生成紊流的合适的空间域方法可写成如下形式：一维谱：()()()1112cosniDjjijjXSX=+（2.16）二维谱：()()()1222,1,2,cosnniiDjkjikij kjknX YSXY =+（2.17）其中：j，k为随机化一次旋转后等概率分布下的随机相位，并且有：()212jj=()212kk=计算表明，在一维形式的统计计算中使用 40 阶谐波就足够了；而对于二维形式，大致需要110110个离散谐波值。尽管二维形式应该在紊流旋转抽样中使用，但是一维形式的计算效率要比二维形式快十几倍。因此在旋转桨叶抽样情况下，桨叶0.75半径处的点可代替整个桨叶，以提高计算效率。连续随机紊流模型中使用的尺度规定为高度的函数。Von Karman 模型的紊流尺度为：h 在 760m 以上，Lu=2Lv=2Lw=760m；h 在 760m 以下，Lu=2Lv=83.4h1/3m，Lw=0.5hm；Von Karman 模型中使用的均方根强度u=