飛行實時仿真中的微下擊暴流建模研究

王云，張志強，孫雙雙，楊衍舒，韓立

（航空工業洪都，江西南昌330024）

飛行實時仿真中的微下擊暴流建模研究

王云，張志強，孫雙雙，楊衍舒，韓立

（航空工業洪都，江西南昌330024）

在飛行模擬器研制過程中，為使飛行仿真系統能夠高逼真度的模擬大氣擾動對飛行的影響，需要建立各種風場模型。本文分析了微下擊暴流的特征和用于飛行實時仿真中的建模需求。針對真實微下擊暴流風場的特點，設計了不同強度及位置的微下擊暴流，從而逼真地模擬復雜的微下擊暴流風場。基于飛機與微下擊暴流的相對位置關系插值計算微下擊暴流產生的風場模型，使用該建模方法可重配置，能應用于變化風場中的飛行實時仿真，有助于提高模擬飛行訓練效果。

大氣擾動；微下擊暴流；風場模型；飛行實時仿真

0 引言

低空風切變是指600m以下空氣層中風向和風速突然變化的現象，它是飛機起飛、著陸階段威脅飛行安全的主要危險天氣。在各類低空風切變中，對飛行安全危害最為嚴重的是外流水平范圍通常在4km以內的微下擊暴流。

飛機在起飛或進場著陸過程中，首先遇到微下擊暴流外流的逆風分量，升力增加，飛機上仰，為了保持一定的空速和下降率，飛行員通常會收油門以減小空速。但很快飛機遇到下沉氣流，若飛機高度或空速不足時很容易被下沖氣流直接沖擊墜地。飛機通過下沖氣流后進入強烈的順風氣流區域，順風氣流將使飛機的升力急劇下降，進入失速狀態，在如此低的高度和空速下，飛行員基本沒有空間和時間來恢復控制飛機，從而導致飛機墜地。

飛機穿越微下擊暴流風場如圖1所示。

在現代飛行模擬器上，飛行教員可設置不同強度和范圍的微下擊暴流等氣象特情來考察飛行員的應變能力和飛行技術。

本文通過比較飛機與設置的微下擊暴流的相對距離及高度關系模擬生成復雜的微下擊暴流場，其中用于插值計算的數據經過反復校對。該模型為模擬大氣擾動對飛行的影響提供了依據，可移植到各類機種的飛行仿真中，具有普遍的實用價值。

1 設計思路

該模型根據教員設置指令實現對微下擊暴流的模擬，設計步驟為：

1）輸入教員設置的微下擊暴流基本參數：微下擊暴流中心與飛機的水平距離，中心方位角，強度。

2）通過上述設置參數計算飛機與微下擊暴流中心的相對高度及相對水平距離關系，即高度參數、距離參數，并通過二維線性插值計算微下擊暴流所產生的水平及垂直風速。

3）通過坐標系軸之間的轉換，得到微下擊暴流在大地坐標系及機體坐標系下的三軸風速和風向，并通過六自由度方程最終解算得到飛機的響應。

2 建立模型

1)計算高度參數和距離參數微下擊暴流渦半徑為：

式中:ηMBI—微下擊暴流強度，范圍為0-100。

微下擊暴流頂高度為：

飛機與微下擊暴流中心的相對位置在大地坐標系下的分量為：

式中：RMB—飛機與微下擊暴流中心的水平距離；

ΨMBA為微下擊暴流中心方位角；

ATD為機體坐標系轉換大地坐標系的方向余弦。

飛機到微下擊暴流中心的水平距離為：

微下擊暴流距離參數為：

微下擊暴流高度參數為：

式中：HCG-飛機離地高度。

2)插值計算水平和垂直風速

微下擊暴流水平風分量為：

微下擊暴流垂直風分量為：

式中：fHN和fVN為二維線性插值數據。

修正后的微下擊暴流水平風分量、垂直分量為：

式中：ηMBIT=ηMBI×150%,εMBGE=fMBGE(HCG)為地效因子，fMBGE為線性插值，數據見表1。

表1 離地高度與地效因子數據

3 仿真試驗

根據以上的算法推導，在某型飛行訓練模擬器飛行中，通過教員設置微下擊暴流風場，微下擊暴流中心在飛機正前方5000米，強度為100。利用C++建立微下擊暴流的仿真模型及MATLAB軟件輸出結果。最終仿真得出飛機穿過微下擊暴流區域，飛行狀態如圖2～圖6所示。

4 試驗分析

從圖2、圖3的x軸向風速可以看出，飛機剛進入微下擊暴流區域，遇上逐漸增大的逆風，隨著飛機逐漸靠近微下擊暴流中心，逆風再逐漸減小。飛機通過微下擊暴流中心后，順風逐漸增大，隨著飛機逐漸遠離微下擊暴流，順風又逐漸減小至零。

從圖2、圖3的y軸可以看出，飛機剛進入微下擊暴流區域，有一定垂直向上的風速。隨著飛機靠近微下擊暴流中心，遇到下沉氣流，垂直向下的風速急劇增大。飛機通過下沉氣流區域后，又產生有一定的垂直向上風速。直至飛機遠離微下擊暴流區域。

從圖2、圖3的z軸可以看出，飛機剛進入微下擊暴流區域，有一定側向的風速，隨著飛機靠近微下擊暴流中心，側向風速增大。飛機通過中心后，側向風速逐漸減小，直至飛機遠離微下擊暴流區域。

從圖2、圖3可以看出，微下擊暴流的影響區域大約為4000m范圍。

從圖2～圖6可以看出，飛機剛進入微下擊暴流區域，速度增加，飛機上仰，向上爬升。隨著飛機靠近微下擊暴流中心，飛機速度和高度急劇下降，為了保證飛機不會墜地，將油門位置推至最大，駕駛桿縱向位置拉至最后，飛機加速向上爬升，直至通過下沉氣流區域，遠離微下擊暴流區域。

對比文獻[3]、[4]可以看出，用該模型模擬的風場較好地符合了數值模擬產生的風場。

5 結語

飛行中遭遇風切變是一個極為困難和復雜的問題。能給飛行員作出反應，采取措施，控制飛行軌跡直到飛出風場的時間非常短促，為了迅速而準確地作出反應，飛行員應了解風切變的存在及其性質，對自己所駕飛機能否通過風切變進行風險評估，作出正確的決斷。因此，在典型的飛行實時仿真系統——飛行模擬器中加入微下擊暴流的模型，用于訓練飛行員并考察飛行員的操縱技術和處置能力則非常重要。

在實際的大氣擾動風場中，微下擊暴流常常還伴隨著大氣紊流、地形擾動(如山體)等多種復雜氣象情況同時出現。

本文建立的仿真模型在一定程度上滿足了風場的模擬，可為以后的研究開發和改進提供理論基礎，為完善設計目標提供理論依據。

[1]肖業倫,金長江.大氣擾動中的飛行原理[M].北京:國防工業出版社,1993.

[2]章澄昌.飛行氣象學[M].北京：氣象出版社，2000.

[3]高振興，顧宏斌。用于飛行實時仿真的微下擊暴流建模研究[J].系統仿真學報,2008,20(23):6524-6534.。

[4]Xiaoling He,Jeffrey W Hodgson.Modeling and Simulation for Hybrid Electric災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）

>>>作者簡介 王云，女，1989年2月出生，2013年畢業于杭州電子科技大學，工程師，現從事飛機仿真技術研究和飛行訓練模擬器設計工作。

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