一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法技术

本发明专利技术公开一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，属于计算、推算或计数的技术领域。该方法，根据飞机基本几何尺寸建立用于气动力计算的十字形网格，获得影响系数矩阵；根据目标飞机的重量和拟穿越湍流区域飞行时的空速，采用涡格法计算飞机在无湍流情况下的气动力和力矩；根据湍流区域的EDR指数计算湍流强度，并生成符合von Karman模型的空间三维湍流风时间序列；以湍流序列为输入，在给定空速和初始等效迎角下，采用涡格法计算在湍流影响下的气动力和力矩；通过动力学方程数值积分计算飞行状态，获得所需的当地速度以及飞机垂直加速度响应，计算加速度的方差，作为飞机颠簸指数，准确量化不同飞机、不同飞行状态下的飞机颠簸强度。强度。强度。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法


[0001]本专利技术涉及民航安全
，具体涉及飞机在大气湍流中飞行时，一种根据湍流强度EDR指数量化飞机颠簸严重程度的计算方法，形成飞机颠簸强度指数，属于计算、推算或计数的


技术介绍

[0002]大气湍流严重影响民航飞机飞行品质、乘坐感受和飞行安全。飞机在高空高速飞行时，受到快速变化的湍流风影响，飞机垂直加速度发生变化，诱发飞机颠簸。航空公司在制定飞行计划时，会根据天气情报向航班机组做出提醒，提示在航路中哪些区域可能存在颠簸，但这种预报手段只能粗略地给出发生颠簸的大致区域和严重程度，且存在虚警和漏警现象。飞行员湍流报告PIREP是一种广泛使用的报告航路天气情况的手段，但PIREP报告的湍流位置、强度和发生时间都具有主观不确定性。通过飞机垂直加速度测量值获得的湍流强度评价指标，包括垂直过载均方根RMS
‑
g、等效垂直风DEVG等，往往与飞机重量、空速等参数有关，且实测加速度容易受到飞机机动飞行影响，难以准确反映客观大气湍流强度，也无法预测其它飞机的颠簸强度。
[0003]不同的机型在同一片湍流场中飞行，发生的颠簸强度是不同的；即使同一飞机以不同的重量、空速穿越湍流场飞行，其颠簸强度也不同。根据von Karman和Kolmogorov能量谱理论，大气湍流的能量仅与湍流耗散率ε有关。ε
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称为EDR指数，它作为一种反映湍流强度的客观指标，已在民航获得应用。最常见的EDR估计方法是通过QAR飞行数据获得湍流垂直风分量，将实测能量谱与von Karman模型理论能量谱对比，通过频域极大似然估计获得EDR指数。然而，EDR与RMS
‑
g、DEVG等指标一样，可以从一定程度上反映某区域的客观湍流强度，但不能反映具体飞机的颠簸严重程度。因此，需要从客观的EDR指数获得具体飞机及其飞行状态下的垂直加速度响应，从而给出具体飞机的颠簸强度的量化指标。
[0004]目前出现的一种根据EDR指数计算飞机颠簸强度的方法，采用具体机型的历史飞行数据和EDR指数进行回归分析，获得EDR与飞机垂直加速度的统计模型。该方法需要针对具体机型分别建立回归模型，且EDR的统计结果往往与某一具体区域的EDR指数差异较大，造成飞机颠簸强度的估计误差。
[0005]升力面方法可以较准确地计算飞机的气动响应。湍流实际引起飞机气动力变化，从而导致垂直加速度变化，引起飞机颠簸。采用升力面方法可以计算垂直加速度对湍流的响应。然而，对于高亚音速民航飞机而言，需在升力面方法中进一步修正空气压缩性影响。且对于中小尺度的成熟湍流，民航飞机的结构尺寸与风场尺度可比，须考虑风场梯度造成的全机各处风速的变化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对客观的湍流强度EDR指数不能反映具体飞机颠簸严重程度的不足，提出一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，可用于估计正在穿越湍流飞行的飞
机颠簸强度，或预测目标飞机在湍流中飞行的颠簸强度，实现高精度地快速估计飞机在飞行过程中的颠簸强度的专利技术目的，解决面向不同飞机、不同飞行状态下的飞机颠簸强度量化的技术问题。
[0007]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：
[0008]一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其具体过程为：
[0009]步骤一：根据飞机的基本几何尺寸，建立用于气动力计算的十字形网格，获得影响系数矩阵；
[0010]步骤二：根据目标飞机的重量和拟穿越湍流区域飞行时的空速，采用涡格法计算飞机在无湍流情况下的气动力F0并进行空气压缩性修正，进一步计算获得飞机在无湍流情况下的气动力矩M0；
[0011]步骤三：根据湍流区域的EDR指数计算湍流强度，并生成符合von Karman模型的空间三维湍流风时间序列；
[0012]步骤四：以步骤三产生的空间三维湍流风时间序列为输入，在给定空速和初始等效迎角的情形下，采用涡格法计算在湍流影响下的气动力F并进行空气压缩性修正，进一步计算获得在湍流影响下的力矩M；
[0013]步骤五：根据修正后的有湍流影响的气动力和力矩、修正后的无湍流影响下的气动力和力矩，确定湍流所诱发的气动力增量和力矩增量，通过动力学方程数值积分计算飞行状态参数并更新步骤二和步骤四计算所需的当地速度，获得飞机垂直加速度响应，计算加速度方差作为飞机颠簸指数。
[0014]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0015](1)本专利技术考虑了湍流风场梯度对大型民航飞机的气动影响，通过十字形网格布局精确计算风场梯度影响，进而提高飞机在湍流中的垂直加速度响应计算精度，对高亚音速飞行时的空气压缩性影响进行补偿进一步提高加速度响应的计算精度，可以适用于各类民航飞机和小型通航飞机。无需目标飞机的气动参数，只需全机几何参数、以及重量和空速，即可根据EDR指数获得目标飞机的颠簸强度。
[0016](2)采用本专利技术的颠簸强度指数计算方案，对目标飞机，可以建立不同重量、空速、EDR指数下的颠簸强度表，只需查表即可估计目标飞机的颠簸强度。
附图说明
[0017]图1为本专利技术计算飞机颠簸强度指数的流程图。
[0018]图2为飞机全机网格划分的平面图。
[0019]图3为飞机全机网格划分的侧向图。
[0020]图4为网格控制点及马蹄涡分布的示意图。
[0021]图5为网格上涡丝分布的示意图。
具体实施方式
[0022]下面将结合附图对本专利技术的技术方案做详细描述。
[0023]本专利技术公开的一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法如图1所示，包括如下五大步骤。
[0024]步骤一：根据目标飞机的几何参数，建立全机十字形网格模型，获得影响系数矩阵。
[0025]步骤A：建立目标飞机的全机十字形网格模型。所需的飞机几何参数包括：
[0026](1)机身长度、宽度、高度；机头水平投影锥度角；机头侧向投影上、下锥度角；机翼翼根与机身下部距离。
[0027](2)机翼展长、上反角、前缘后掠角、翼尖弦长、翼根弦长、后缘分界点处展长、后缘分界点处弦长。
[0028](3)平尾展长、前缘后掠角、翼尖弦长、翼根弦长。
[0029]如图2和图3所示，将机头处定为原点。将目标飞机的机身简化为十字形，由水平面和垂直面组成。以大型民航飞机为例，使用等分法进行网格划分，将机身垂直面划分为I、II两个梯形区域，两区域具有相同的网格列数；将机身水平面划分为III、IV两个对称梯形，两区域具有相同的网格行数；采用类似的方法对垂尾划分网格，图2、图3分别为飞机全机网格划分的平面图和侧向图，图2中各变量的含义如表1所示，图3中各变量的含义如表2所示。
[0030][0031][0032]表1
[0033]λ
VFU
机身垂直面上半平面锥度角λ
VFD
机身垂直面下半平面锥度角L
VFU
机身垂直面上缘长度L...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，根据飞机的基本几何尺寸建立用于气动力计算的十字形网格，在每个网格布局马蹄涡及控制点，获得全机马蹄涡系在任意控制点处的影响系数矩阵；根据目标飞机的重量和拟穿越湍流区域飞行时的空速，采用涡格法计算飞机在无湍流情况下的气动力并进行空气压缩性修正，根据修正后的无湍流影响下的气动力计算飞机在无湍流影响下的气动力矩；根据湍流区域的EDR指数计算湍流强度，并生成符合von Karman模型的空间三维湍流风时间序列；以所述空间三维湍流风时间序列为输入，在给定空速和初始等效迎角的情形下，采用涡格法计算在湍流影响下的气动力并进行空气压缩性修正，根据修正后的湍流影响下的气动力计算飞机在湍流影响下的气动力矩；根据修正后的有湍流影响的气动力和力矩、修正后的无湍流影响下的气动力和力矩，确定湍流所诱发的气动力增量和力矩增量，通过动力学方程数值积分计算飞行状态参数，根据飞行状态参数更新计算气动力和力矩所需的当地速度，获得飞机垂直加速度响应序列，计算飞机垂直加速度响应序列的方差作为飞机颠簸指数。2.根据权利要求1所述一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，所述马蹄涡的附着涡丝与网格面元的1/4弦线重合，两条自由涡丝从1/4弦线的端点处顺网格表面流出后沿远前方来流方向延伸至无穷远处，在网格的3/4弦线中点处布置控制点。3.根据权利要求1所述一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，获得全机马蹄涡系在任意控制点处的影响系数矩阵的方法为：遍历所有网格的马蹄涡，根据各网格控制点的诱导速度与涡丝强度的数学关系确定全机马蹄涡系在任意控制点处的影响系数矩阵。4.根据权利要求1所述一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，采用涡格法计算飞机在无湍流影响下的气动力的表达式为：F
i
′
为不可压缩流中任意控制点i处的气动力，ρ为空气密度，为第n
R
行第n
C
列马蹄涡环量，r
AB
为AB段涡丝的的位置矢量，为第k行第n
C
列马蹄涡环量，为第k行第n
C
+1列马蹄涡环量，r
BD
为BD段涡丝的位置矢量，F
i
为空气压缩性修正后的任意控制点i处的气动力。5.根据权利要求4所述一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，采用Karmen
‑
Tsien法则进行空气压缩性修正，F
i
为空气压缩性修正后的无湍流影响下的任意控制点i处的气动力，M为飞行马赫数，对修正后的无湍流影响下的任意控制点i处的气动力求和得到无湍流影响下的总气动力。6.根据权利要求4所述一种飞机空中飞行颠簸强度指数计算方法，其特征在于，根据修正后的无湍流影响下的气动力计算飞机在无湍流影响下的力矩的方法为：由修正后的无湍流影响下的各控制点处的气动力相对质心求得的俯仰力矩、滚转力矩、偏航力矩获得修正
后的无湍流影响下的各控制点处的气动力矩，累加修正后的无湍流影响下的各控制点处的气动...

【专利技术属性】
技术研发人员：高振兴，王得宝，张洋洋，向志伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：