[发明专利]飞行模拟器中建立飞行结冰降阶模型的方法

说明书

1.技术领域

本发明涉及航空工程领域，具体是在飞行模拟器中建立飞行结冰降阶模型的方法。该方法用于飞行模拟器中对飞行结冰状态进行实时模拟。

2.背景技术

飞行器在一定的飞行高度范围内穿过云层时, 如果遇到符合大气中的结冰条件的区域，会在飞行器机身表面和一些部件表面上形成冰层，这种现象被称作飞行结冰。大气中的结冰条件主要是指大气中的超冷液态水含量和超冷液态水滴的尺度。飞行器的飞行结冰首先影响飞行器的空气动力学特性，例如会增加重量、增大阻力、破坏失速特性。此外，一些重要的控制表面上的结冰将极大影响飞行器的操纵性。例如，飞行结冰会妨碍襟翼活动、堵塞空速管，严重时将引发事故和灾难。

为了保障飞行器的安全飞行，在飞行器遭遇飞行结冰时，必须选取可以确保安全的飞行模式，飞行员的任务是实施飞行控制命令或按照自动模式控制飞行器。因而，提供一种在陆地上的飞行模拟器，能对高空中的飞行结冰进行合适的模拟，训练飞行员完成上述任务是极其重要的。这种模拟器被称为飞行结冰模拟器。飞行结冰模拟器通过将飞行器的飞行结冰这一物理过程再现，以训练飞行员在相同情况下执行任务的能力，以及建立对飞行结冰期间的感情和压力的场景。具体地讲，模拟器可以根据不同的大气条件，如大气压力、温度、密度、超冷液态水含量、水滴直径的分布等数据，以及不同的飞行条件，如飞行器型号（外形）、飞行速度、攻角、马赫数、雷诺数等参数构成多种训练方案，工作时根据不同的训练方案模拟出飞行器的结冰状态，如结冰位置、结冰形状、结冰时间等信息。

理想的飞行结冰模拟器是可以对飞行结冰的真实状态进行实时模拟。这种情况只能在结冰风洞中进行，即把飞行器模型或者真实的飞行器放在结冰风洞中，飞行员也在其中。通过结冰风洞的运行，模拟大气的结冰条件，飞行器外部产生飞行结冰，内部的飞行员进行相应的控制操作训练。这种训练方法需要完全1:1的飞行器模型，结冰风洞无法满足如此巨大的制造成本。所以，飞行结冰模拟器和其他大多数模拟器一样，都是将外界的物理过程用数学模型表达出来，再将数学模型中的算法和流程用集成电路体现。模拟器工作时，根据要模拟的条件给出数学模型的输入信号，集成电路依靠数学模型的运算得出模拟结果，并输出信号。输出的信号可以是数字信号、模拟信号、机械信号等形式。为了在模拟器中用数学模型真实再现真实物理过程，一个重要的指标是数学模型用于模拟真实物理过程的运算时间。飞行结冰模拟器中的有关飞行结冰模拟需要进行实时模拟，即飞行器的飞行结冰达到某种状态所需的时间和模拟器模拟这一过程所需要的时间具有相同的时间尺度，在同一个数量级。

飞行器飞行结冰是一个非常复杂的物理过程，精确描述它的数学模型也很复杂。飞行器的飞行结冰的数学模型的建立和求解是属于计算流体力学（CFD：Computational Fluid Dynamics）在相关学科中的扩展，是高端的计算机的数值模拟技术。一个飞行结冰过程完整的数学模型包括气体连续方程、动量方程、能量方程、湍流模型方程、水滴运动方程、水膜运动和冰层厚度方程等多个偏微分方程组构成的一个模拟系统。该系统的求解运算包括生成计算网格、空间离散、时间离散等过程。统计表明，一个二维机翼的飞行结冰的数值模拟在8个CPU的计算机上运算需要3小时来完成实际2分钟内的飞行结冰的物理过程。这样的运算时间远远超过同样状态下的真实的结冰的时间，不能做到实时模拟，因而，这种数学模型无法在模拟器中使用。

一个解决方法是将飞行器可能遇到的所有的结冰状态通过上述模型系统计算出来或者用实验的方法收集起来，储存在模拟器中，作为训练方案的数据库，使用时按照飞行条件、大气条件或者其它标准直接从数据库调用。所有可能的结冰状态意味着需要对法规规定的飞行结冰包线内的所有飞行结冰条件进行排列组合计算，这将是一个十分浩繁的工程。这种方法仍然面临巨大成本的问题。

一个实际的解决方法是将前面提到的描述飞行结冰的数学模型系统进行降阶处理，形成飞行器飞行结冰的降阶模型。所谓降阶，这里是指为提高运算速度，降低计算成本，在保持原来的模拟系统的主要特征的前提下，将原系统做一定的简化处理，降低原系统的复杂性，得到新的简化的模拟系统，并获得其近似解的方法。所获得的简化的模拟系统被称为原系统的降阶模型。同样输入大气条件和飞行条件，降阶模型不需要过多的延时，甚至可以实现瞬时输出。总之，飞行结冰模拟器中只有使用飞行结冰降阶模型，才能使得模拟器能在与真实条件下达到相同结冰状态所用的时间尺度内输出飞行结冰的模拟结果。