一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法技术

本发明专利技术提供了一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法，该方法包括：获取飞行器飞行时的姿态角、真空速以及飞行器所在风场的风梯度；根据飞行器的气动数据计算飞行器飞行时的阻力D；根据飞行器的质量m、阻力D、真空速、风梯度以及姿态角计算得到飞行器的能量变化率。应用本发明专利技术的技术方案，以解决现有技术中缺少考虑风场影响的能耗计算方法从而导致能耗分析结果精确度低的技术问题。结果精确度低的技术问题。结果精确度低的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法


[0001]本专利技术涉及航空航天飞行器总体设计
，尤其涉及一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法。

技术介绍

[0002]以太阳能无人机为代表的临近空间低动态飞行器是未来高空超长航时飞行器发展的重要方向之一，其具有飞行高度高、续航时间超长(如“周级”、“月级”、甚至是“年级”的驻空时间)、相比卫星机动性好、使用维护简便和综合效费比高等特点，具备“伪卫星”的应用特征。通过模块化换装任务载荷，可在通信中继、遥感监视、技术侦察、气象探测、战略预警等领域发挥重要作用，具有广阔的市场需求和应用推广价值。
[0003]为实现高空超长航时飞行，太阳能无人机在总体设计时一般采用较小的翼载荷(如2～4kg/
㎡
)和较低的飞行速度(如海平面飞行速度8～10m/s)，从而保持低能耗飞行，达到能量收支平衡，实现预期性能指标。小翼载和低速带来的显著问题为无人机在飞行时对环境中的风场波动较为敏感，完全可出现风速量级与无人机飞行速度相当的情况，从而产生零地速或负地速飞行，或产生在不同飞行航迹下无人机实际能耗相差较大的现象，不利于飞行安全和最优性能实现。传统的低速飞机或高速飞机翼载荷相对较大，抗风能力相对较强，且其动力为基于燃油系统的发动机，能产生相对大的功率，一般的外界风场带来的能耗影响几乎可以忽略。而类似于太阳能无人机一类的高空超长航时无人机为实现高空长航时特性，需对太阳能采集和系统能耗进行精细调节，风场影响因素格外突出，即便一般量级的风场带来的能耗影响也不可作为小量进行忽略。因此，传统分析中弱化风场的假设不够完善，而现有分析方法中也未有完整的理论和试验支撑。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题之一，本专利技术提供了一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供了一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法，方法包括：
[0006]获取飞行器飞行时的姿态角、真空速以及飞行器所在风场的风梯度；
[0007]根据飞行器的气动数据计算飞行器飞行时的阻力D；
[0008]根据飞行器的质量m、阻力D、真空速、风梯度以及姿态角计算得到飞行器的能量变化率。
[0009]进一步地，姿态角是根据预设航迹得到的预设姿态角，风梯度是根据预设航迹和预设飞行区域的历史风场数据计算得到的预测风梯度。
[0010]进一步地，预设姿态角包括预设俯仰角θ和预设偏航角ψ。
[0011]进一步地，预测风梯度包括风场在北
‑
东
‑
地坐标系下的北轴预测风梯度东轴
预测风梯度以及地轴预测风梯度
[0012]进一步地，真空速为预测真空速，预测真空速通过计算得到，其中，V
a
表示预测真空速，g表示重力加速度，t表示时间，W
x
、W
y
和W
z
分别表示预测风速在北轴、东轴和地轴的分量。
[0013]进一步地，能量变化率为预测能量变化率，预测能量变化率通过计算得到，其中，表示预测能量变化率。
[0014]进一步地，姿态角是飞行器实际飞行过程中的导航姿态角，导航姿态角包括导航俯仰角θ'和导航偏航角ψ'，真空速为实际真空速，实际真空速通过计算得到，其中，V
′
a
表示实际真空速，P表示飞行器测得的空速管静压，R表示气体常量，T表示飞行器测得的大气温度，V
i
表示飞行器测得的空速。
[0015]进一步地，风梯度是根据飞行器在实际飞行过程中的导航速度、实际真空速V
′
a
以及导航姿态角计算得到的反演风梯度，导航速度包括北向导航速度V
′
n
和东向导航速度V
′
e
，反演风梯度包括反演北轴风梯度和反演东轴风梯度
[0016]进一步地，通过下式计算每个时刻的反演北轴风梯度和反演东轴风梯度
[0017][0018][0019][0020][0021][0022]上式中，W
t
'表示t时刻飞行器所在风场的反演风速，γ表示航迹角，γ'表示修正航迹角，W
w_t
表示t时刻飞行器所在风场的反演风向，W
′
w_t
表示t时刻飞行器所在风场的修正反演风向，表示t时刻飞行器所在风场的反演北轴风梯度，表示t时刻飞行器所在风场的反演东轴风梯度，Δt表示相邻两个时刻之间的时间间隔。
[0023]进一步地，能量变化率为反演能量变化率，反演能量变化率通过计算得到，其中，表示反演能量变化率。
[0024]应用本专利技术的技术方案，提供了一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法，该方法通过在飞行器能量变化率的计算过程中引入风梯度这一风场参数，能够得到更为精细的能耗分析结果，从而可以指导航迹设计、制定应急预案、优化飞行策略以及评估飞行器的飞行性能。
附图说明
[0025]所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1示出了根据本专利技术的具体实施例提供的考虑风场影响的飞行器能耗计算方法的流程示意图；
[0027]图2示出了根据本专利技术的具体实施例提供的地速、风速和真空速之间的矢量三角形关系示意图；
[0028]图3示出了根据本专利技术的具体实施例提供的反演风速与实测风速的对比图；
[0029]图4示出了根据本专利技术的具体实施例提供的反演风向与实测风向的对比图；
[0030]图5示出了根据本专利技术的具体实施例提供的圆形航迹的象限划分的示意图；
[0031]图6示出了以图5的圆形航迹顺时针飞行为例预测的能耗分布规律示意图；
[0032]图7示出了以图5的圆形航迹逆时针飞行为例预测的能耗分布规律示意图。
具体实施方式
[0033]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑风场影响的飞行器能耗计算方法，其特征在于，所述方法包括：获取飞行器飞行时的姿态角、真空速以及所述飞行器所在风场的风梯度；根据所述飞行器的气动数据计算所述飞行器飞行时的阻力D；根据所述飞行器的质量m、所述阻力D、所述真空速、所述风梯度以及所述姿态角计算得到所述飞行器的能量变化率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态角是根据预设航迹得到的预设姿态角，所述风梯度是根据所述预设航迹和预设飞行区域的历史风场数据计算得到的预测风梯度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设姿态角包括预设俯仰角θ和预设偏航角ψ。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预测风梯度包括所述风场在北
‑
东
‑
地坐标系下的北轴预测风梯度东轴预测风梯度以及地轴预测风梯度5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述真空速为预测真空速，所述预测真空速通过计算得到，其中，V
a
表示所述预测真空速，g表示重力加速度，t表示时间，W
x
、W
y
和W
z
分别表示预测风速在北轴、东轴和地轴的分量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述能量变化率为预测能量变化率，所述预测能量变化率通过计算得到，其中，表示所述预测能量变化率。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态角是所述飞行器实际飞行过程中的导航姿态角，所述导航姿态角包括导...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丁，马洪忠，杨发友，乐龙璋，张忠佐，康志伯，
申请(专利权)人：海鹰航空通用装备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：