民用飛機拋放式飛行記錄器分離過程仿真研究

馬英杰

摘要：在民用領(lǐng)域，拋放式飛行記錄器在國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的研究報告，也無成熟的標準、規(guī)范或指南可以借鑒參考。本文提出的計算流體力學（CFD）與六由度運動方程的耦合仿真技術(shù)，能較準確地模擬出大部分工況下記錄器拋放時的運動軌跡，為記錄器離機安全性這一關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供理論依據(jù)數(shù)據(jù)支持，從而有效降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：拋放式飛行記錄器，離機安全性;仿真技術(shù);CFD++求解器;嵌套網(wǎng)格;降低研發(fā)成本

中圖分類號：V19 文獻標識碼：A

傳統(tǒng)飛行記錄器由于安裝在飛機內(nèi)部，若飛機失事墜毀于陸地，會遭受機體殘骸的沖擊和火燒等破壞，雖然其抗墜毀性能標準在不斷提高，但在一些嚴重事故中，損壞情況仍有發(fā)生;若飛機失事墜毀于海面，會隨機體一同墜人海底，不易于搜尋和打撈。而拋放式飛行記錄器由于可在飛機失事墜毀前迅速與機體分離，并具有水面漂浮能力，避免了機體殘骸的沖擊破壞和沉人海底的情況發(fā)生，不僅便于事故后搜尋和打撈，同時可作為傳統(tǒng)飛行記錄器的備份，提高數(shù)據(jù)存活率。因此，研發(fā)拋放式飛行記錄器對民用飛機事故后的搜索救援、事故分析具有極其重要的意義。

對于拋放式飛行記錄器的研究，目前國內(nèi)外正在開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前已少量運用于部分軍用飛機，但在民用領(lǐng)域，尚無系統(tǒng)的研究報告，亦無成熟的標準、規(guī)范或指南可以借鑒參考。研發(fā)拋放式飛行記錄器的關(guān)鍵技術(shù)之一是記錄器與飛機分離過程的軌跡研究，這主要是由于飛機事故狀態(tài)及記錄器誤拋時飛機的狀態(tài)形式復(fù)雜，通過飛行試驗研究分離軌跡成本代價高，難以實現(xiàn)。本文采取計算流體力學（CFD）與六自由度運動方程的耦合仿真技術(shù)對記錄器分離過程進行數(shù)字仿真，能較準確地模擬出大部分工況下記錄器拋放時的運動軌跡，為該關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供理論依據(jù)，并有效降低研發(fā)成本。

1 飛行記錄器概述

1.1 傳統(tǒng)飛行記錄器

飛行記錄器，又稱飛機數(shù)據(jù)記錄器，俗稱“黑匣子”，可記錄飛機的飛行參數(shù)和艙內(nèi)話音。傳統(tǒng)飛行記錄器通常安裝在飛機尾部最安全的部位，具有極強的抗毀性能，在飛機失事時可完好地保存所記錄數(shù)據(jù)，供事故分析。

1.2 拋放式飛行記錄器

拋放式飛行記錄器是一種新型飛行記錄器，在傳統(tǒng)飛行記錄器的基礎(chǔ)上增加了失事時自動拋放功能。拋放式飛行記錄器在飛機正常飛行時與傳統(tǒng)飛行記錄器功能相同，記錄飛機各系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)和聲頻數(shù)據(jù);不同于傳統(tǒng)飛行記錄器安裝在飛機內(nèi)部，其通常安裝在飛機上部，作為冗余記錄裝置。在飛機失事時自動拋放出機體，并具有水上漂浮能力。

2 拋放式記錄器離機安全性和仿真難點

2.1 離機安全性

拋放式記錄器離機安全性主要分為兩個部分，一是誤拋狀態(tài)下對飛機安全性的影響，二是事故拋放后記錄器不會撞擊飛機造成自己損壞。拋放式記錄器離機安全性是研發(fā)拋放式記錄器的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中誤拋狀態(tài)下對飛機安全性的影響對于拋放式記錄器是否能通過適航批準并運用于民用飛機尤其重要，因為必須保證在全飛行包線內(nèi)記錄器的誤拋都不能對飛機造成災(zāi)難性的影響。

解決拋放式記錄器離機安全性研究途徑包括實驗室試驗、飛行試驗和數(shù)值模擬仿真。實驗室試驗通常為風洞試驗或者建立飛機局部機身試驗?zāi)Ｐ瓦M行試驗，前者難以真實模擬出記錄器拋放瞬間的真實情況，后者難以模擬飛機的真實飛行情況。飛行試驗結(jié)果最為準確，但是要研究全包線飛行范圍內(nèi)的記錄器分離情況需要試驗架次太多，成本太高，且具有一定的安全隱患，無法試驗事故工況。數(shù)值模擬仿真可為拋放式記錄器離機安全性提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，再結(jié)合少量的飛行試驗進行相互驗證，可大大降低研發(fā)成本，提高研究效率。

本文提供一種數(shù)值仿真方法，即CFD與六自由度運動方程的耦合仿真方法，對拋放記錄器的分離過程進行仿真，為拋放式記錄器離機安全性研究提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

2.2 仿真難點

首先記錄器在拋放力作用下，與飛機分離，此時受到飛機流場干擾，其軌跡會發(fā)生變化，該非定常過程需采用飛行動力學才能描述清楚。因此，需要解決在飛機流場干擾的氣動力影響下拋放器非定常飛行動力學建模與仿真問題。

記錄器拋放一般分為誤拋狀態(tài)以及失事狀態(tài)。失事狀態(tài)下飛機飛行過程非定常特征及大迎角特征明顯，姿態(tài)變化劇烈，雖然記錄器對飛機的流場干擾可以忽略，但還是需要解決飛機非定常飛行動力學建模與仿真問題。特別需要指出的是，對于這兩個過程需要進行統(tǒng)一坐標空間和統(tǒng)一時序下的仿真，模型復(fù)雜，計算規(guī)模大幅度增加。國外有篇文獻中給出了采用CFD耦合六自由度運動方程仿真座艙蓋拋放的非定常過程，但是在一臺DEC Alpha工作站僅模擬0.3s非定常拋放過程就需要7天時間，計算量太過龐大。

3 拋放式記錄器離機仿真方法分析

目前拋放式記錄器離機安全性仿真有兩種方法，各有優(yōu)缺點：一種是耦合CFD計算和六自由度運動方程的非定常仿真過程，該方法預(yù)測軌跡精度較準確，但計算量偏大，需要借助超大規(guī)模并行計算機來實現(xiàn)，計算費用很高;另一種是采用考慮非定常效應(yīng)的氣動力系數(shù)修正，獲得記錄器氣動力系數(shù)表，該方法預(yù)測軌跡精度可滿足工程計算要求，用工作站代替超大規(guī)模并行計算機，降低了計算費用，但計算需要花費大量的時間。

本文采用CFD與六自由度運動方程的耦合仿真技術(shù)對記錄器拋放情況進行仿真，其中使用非結(jié)構(gòu)動態(tài)嵌套網(wǎng)格方法來生成網(wǎng)格，并使用CFD++求解器進行嵌套網(wǎng)格的仿真求解，可在不影響計算精度的前提下簡化計算過程，提高研究效率。具體仿真技術(shù)途徑如圖1所示。

嵌套網(wǎng)格的方法對于拋放式記錄器仿真來說及其適合。嵌套網(wǎng)格可以使相對的獨立網(wǎng)格獨立運動，而不會干擾其他區(qū)域的網(wǎng)格，對非定常流場仿真時可以得到較精準的結(jié)果。而且嵌套網(wǎng)格區(qū)域可獨立生成網(wǎng)格，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成過程簡化y。

使用CFD++在嵌套網(wǎng)格的計算獨樹一幟。求解器中對相對運動的多套網(wǎng)格間，有完整的定義機制，在保證計算精度的前提下，盡可能地簡化了網(wǎng)格處理的方式。從網(wǎng)格導(dǎo)入到網(wǎng)格嵌套定義，再到參數(shù)設(shè)定，CFD++求解器都擁有很人性化的設(shè)計。

4 仿真方法

4.1 嵌套網(wǎng)格

本文針對的是流場下飛機與記錄器分離軌跡的研究，所以采用非結(jié)構(gòu)動態(tài)嵌套網(wǎng)格方法生成網(wǎng)格。

4.1.1 嵌套邊界處理

嵌套網(wǎng)格中的網(wǎng)格層都是相互重疊的，所以需要采用合適的算法來規(guī)定各個重疊子區(qū)域網(wǎng)格之間的嵌套邊界。在流場計算時，只需要知道各子區(qū)域內(nèi)部的信息以及邊界處用于流場信息交換的參數(shù)，因此，重疊的網(wǎng)格單元都需要從網(wǎng)格中“挖去”。當然，所謂的“挖去”網(wǎng)格只是把它們標記為非活動單元，即不參與流場的數(shù)值計算[2]。

CFD++軟件中將與切割邊界相交的網(wǎng)格單元定義為“Cut”單元，即非活動單元，如圖2中標記為“C”的單元。

活動單元則是從所定義的活動邊界開始，與活動邊界相鄰的網(wǎng)格單元均標記為活動單元，如圖3中的“L”網(wǎng)格單元。

而且與活動網(wǎng)格單元相鄰的單元均標記為活動單元，直到“Cut”單元為止，如圖4所示，非活動單元的處理如圖

5 所示。

通過上述方法我們確定了嵌套網(wǎng)格邊界的同時，還找到了網(wǎng)格重疊區(qū)域網(wǎng)格點的宿主單元[3]。

4.1.2 網(wǎng)格間的插值

在同一個網(wǎng)格層中會遇到多個相互重疊的區(qū)域，則宿主單元的選取也不是唯一的，為了避免出現(xiàn)嵌套奇異的問題，我們選取滿足以下原則的宿主單元：

（1）從宿主單元提供正確的流場信息考慮，宿主單元必須是激活狀態(tài)下的;

（2）從宿主單元提供最佳的流場信息考慮，選取體積最小的那個。

4.2 控制求解

4.2.1 控制方程

三維非定常Euler方程的積分形式為[4]：

其中：

在上述偏微分方程組中，ρ，u，v，w，E，H和p分別表示密度、直角坐標系下三個速度分量、總能、總焓和壓強;i_x，i_y，i_z為笛卡兒坐標系中三個坐標方向的單位矢量。上述方程中，共有5個方程、7個變量，為使方程組封閉，考慮到理想完全氣體的熱力學性質(zhì)，有：

式中：γ為比熱[容]比，對于空氣有γ=1.4。

4.2.2 時間推進

為模擬非定常狀態(tài)下記錄器在流場中的運動軌跡，此次項目采用雙時間方法進行時間步進，在偽時間方向上采用無矩陣存儲的前后掃掠高斯一賽德爾迭代方法（LU-SGS）。控制方程可寫為：式中：n和n+1表示計算迭代的步數(shù)，R_iⁿ⁺¹是第n+1步迭代產(chǎn)生的殘值。采用時間方向上的一階前插，有：

又可寫為：

式中：

對于式（6）中的殘值項：

式中：|S_ij|為交界面面積;下標i，j分別為交界面兩側(cè)的單元。作用[5]。則有：

令L，U，D分別表示上三角矩陣、下三角矩陣和對角矩陣，則可得下面公式：

將控制方程寫成以下格式：

求解該方程可按照以下兩步進行：

（1）向前掃掠

（2）向后掃掠

又因為：

所以該方法不需要存儲矩陣中的變量。展開形式可寫為：

4.2.3 坐標變換

在研究機體坐標系和記錄器的體坐標系變換關(guān)系時，首先將兩坐標系的原點重合平移。然后，機體坐標系繞某個軸旋轉(zhuǎn)，直至與記錄器坐標系重合[6]。本文定義旋轉(zhuǎn)的角度即是記錄器的姿態(tài)角，分別為滾轉(zhuǎn)角α、偏航角β以及俯仰角γ。轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

4.2.4 6DOF計算

非結(jié)構(gòu)嵌套動態(tài)網(wǎng)格適用于復(fù)雜模型的非定常流場的求解，并且求解過程方便、有較高的效率和可靠性。在CFD++軟件中有6DOF計算模塊，為求解器計算提供每一個時間步長的力和力矩，然后6DOF模塊根據(jù)力和力矩確定記錄器的質(zhì)心位移和姿態(tài)角，最后嵌套動態(tài)網(wǎng)格移動到相應(yīng)的位置，求解器再次計算此狀態(tài)下記錄器所受的力和力矩作為下一個狀態(tài)的初始值，如此往復(fù)，直到求解結(jié)束。

5 仿真計算結(jié)果實例與分析

按上述方法對安裝了拋放式記錄器的某型機進行分離過程仿真模擬計算。

結(jié)合選取飛機低平尾的特點，將拋放式飛行記錄器位置定于飛機垂尾順航向左側(cè)，示意圖如圖6所示。

5.1 仿真工況選擇

仿真工況分為誤拋放和事故拋放。

5.1.1 正常飛行過程中的誤拋放

針對記錄器在飛機上確定的安裝位置，考慮飛機實際飛行中誤拋的特殊性，選取飛行包線內(nèi)7個工況狀態(tài)，進行記錄器誤拋放分離過程數(shù)值仿真模擬，具體狀態(tài)如下：

（1）高空高速正常飛行狀態(tài)：飛行高度6000m，飛行速度420km/h，飛機迎角2°，側(cè)滑角+5°;

（2）高空高速正常飛行狀態(tài)：飛行高度6000m，飛行速度42°km/h，飛機迎角2°，側(cè)滑角-5°;

（3）高空低速正常飛行狀態(tài)：飛行高度6000m，飛行速度230km/h，飛機迎角4°，側(cè)滑角+5°;

（4）高空低速正常飛行狀態(tài)：飛行高度6000m，飛行速度230km/h，飛機迎角4°，側(cè)滑角-5°;

（5）低空中速正常飛行狀態(tài)：飛行高度2°0m，飛行速度260km/h，飛機迎角4°，側(cè)滑角0°;

（6）低空低速正常飛行狀態(tài)：飛行高度2°0m，飛行速度2°0km/h，飛機迎角4°，側(cè)滑角0°，滾轉(zhuǎn)角30°，方向沿X軸正向（垂尾記錄器安裝一側(cè)）;

（7）高空低速正常飛行狀態(tài)：飛行高度6000m，飛行速度230km/h，飛機迎角4°，側(cè)滑角-5°，方向舵偏轉(zhuǎn)25°，方向沿Y軸負向（垂尾記錄器安裝一側(cè)）。

5.1.2 事故狀態(tài)的拋放

針對飛機可能出現(xiàn)的事故狀態(tài)，分別選取三個事故狀態(tài)下分離過程仿真，具體狀態(tài)如下：

（1）飛機機頭以00姿態(tài)墜毀，墜毀速度為馬赫數(shù)Ma0.15;

（2）飛機機頭以300姿態(tài)墜毀，墜毀速度為馬赫數(shù)Ma0.15;

（3）飛機機頭以60°姿態(tài)墜毀，墜毀速度為馬赫數(shù)Ma0.15。

5.1.3 仿真計算結(jié)果

通過仿真計算結(jié)果得出結(jié)論，誤拋放7個工況下，記錄器拋放過程中不會與機體相碰，且記錄器拋放后對全機氣動性能影響可忽略不計;事故拋放三個工況下記錄器均能快速與機體分離，拋放過程中不會與機體相碰，不會被機體殘骸覆蓋影響。

由于篇幅原因，本文僅展示誤拋工況1的仿真模擬結(jié)果，圖7～圖9為各個視圖下的壓力云圖模型記錄器拋放過程的仿真計算結(jié)果?？梢钥闯龇抡孳壽E清晰明了，記錄器與飛機的相對位置一目了然，可明顯觀察到在記錄器拋放過程中不會與機體相碰，從而對飛行安全造成影響。

6 結(jié)束語

本文對拋放式記錄器離機過程的仿真，采用非結(jié)構(gòu)動態(tài)嵌套網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，并利用CFD++求解器軟件對記錄器拋放軌跡姿態(tài)及相關(guān)流場進行計算，最終成功模擬了記錄器在10種工況狀態(tài)下的拋放軌跡和姿態(tài)，用戶可以更直觀對拋放軌跡進行觀察研究。該方法除了比較復(fù)雜的事故工況無法模擬外，如飛機空中爆炸或解體，其余各種誤拋工況、墜毀事故工況等均可仿真模擬。

參考文獻

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