地效飛行器的地效飛行管理系統的製作方法
2023-10-17 10:04:29 1
專利名稱：地效飛行器的地效飛行管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種管理系統，特別是涉及一種地效飛行器的地效飛行管理系統。
背景技術：
地效飛行器利用了空氣的可壓縮性，通過貼近地面(或水面)飛行的方式，獲得「氣墊」效應；同時，利用地面效應，減少機翼誘導阻力，有效提升升力性能，實現高速航行。 機翼上下表面的氣壓壓差形成升力，但也導致下部氣流朝上方環流，這種向上環繞包圍機翼的氣流稱之為渦流。渦流降低了機翼升力效率，嚴重時影響飛行安全。飛行器在貼地飛行時，由於地表的壓製作用，這種渦流的運動軌跡由空中的圓形軌跡(如圖I所示)延遲為橢圓形軌跡(如圖2所示)。這種地面效應延遲了渦流的上繞速度，增加了渦流的上繞路徑，減少對機翼上表面的氣流幹擾，顯著提升了機翼的升力效率。這種地效的效果達到最大時，通常相當於增加了多達40%的升力。或者，反過來說，在同等升力需求下，利用這種渦流的延緩效果，可以顯著減少機翼的物理尺寸要求，由此顯著減輕了結構重量。從運行角度說，在同等功耗下，地效增加的升力越多，地效飛行器的航程越大，或是地效飛行器的商載越大。飛行器在十分接近地面時，例如，機翼下表面距離地面只有十多釐米時，機翼下方空氣受到極度壓縮，形成一個特別強大的氣壓高壓區，機翼下方空氣流動幾乎停滯，形成最大的「氣墊」效應。因此，通過地面效應來延緩機翼渦流影響，以及產生最大的「氣墊」效應這兩個要求，是地效飛行器利用地效飛行的基本原理，並作為地效飛行的工作環境。換言之，為保障地效飛行器安全、有效和正常地利用地效來飛行，最低離地高度不能低於最大「氣墊」效應高度，而最大飛行高度不宜高於延緩機翼渦流的最有效高度。如果偏離這個高度區域，地效飛行器雖然可以使用，但失去了利用地效這一特色獲得的效益，從而失去了與常規飛機或航船運輸方式的競爭力。我國兩院院士顧誦芬、中國科學院院士、中國力學協會會長崔爾傑曾聯名撰寫《填補運輸效率的黃金空白一地面效應原理與地效飛行器》一文，宣傳和推動我國的地效飛行器的研發，我國的一些高科技企業也在大力研發這類先進的運輸工具。地效飛行器不僅可以廣泛承擔各類運輸任務，而且在國民經濟建設和國防領域具有特殊的戰略價值，例如用於海難救援，支持快速部署。國際上公認的地效飛行技術先驅是蘇聯和德國，其他歐美工業發達國家均在大力研究這一先進的運輸載體。蘇聯早在上世紀六十年代就開始秘密研製大型地效飛行器，一種被西方命名為「裏海怪物」的大型地效飛行器長106. I米，翼展40米，起飛重量高達500噸。但是，地效飛行作為當代一種新的學科和先進的高科技領域，當前僅有搭載2-10人左右的小型地效飛行器初步投入使用，大型地效飛行器的主要優勢在於載荷大且要求中長程運輸能力，尚有操控方面的技術壁壘亟待攻克，才能進入實用階段。因為，地效飛行器的最大優勢不僅在於利用地效完成起飛和降落，更在於利用地效性能穩定地巡航。這就要求方便可靠的技術手段來精確判斷地效性能，解決大型地效飛行器的飛行操控手段，保障貼地巡航的飛行安全。不能僅僅限於風平浪靜的良好天氣條件運行，也不能通過培養駕駛員的高超個人技能來實現地效飛行器的實用化和普及。國際上現有對地效性能的公知是，地效飛行器的最大「氣墊」效應高度不超過十幾釐米，而最大延緩機翼渦流的高度大致為機翼翼弦的二分之一。即，如果機翼的翼弦長2米，利用地效飛行時，地效飛行器的最大離地高度以I米左右為宜；在大於翼展10倍的高度上，通常認為地效作用完全喪失。
國際上，通常把增加地效性能的飛行過程稱之為IGE(Into Ground Effect，增加地效性能)；把減少地效性能的飛行過程稱之為OGE (Out Ground Effect,減少地效性能)。既然地效性能由渦流路徑變化和「氣墊」作用兩部分組成，當前借用航空器飛行高度和飛行速度來控制地效飛行的性能，並非是一種簡明、直接的精確操控方式。可見，作為一種運輸工具，尤其是具有商業價值的中大型地效飛行器，進入實用化所必須解決的關鍵難題是，有技術手段保障在一個非常狹小的高度變化範圍內，安全地、有效地、精確地利用地效性能，低空巡航飛行；其次，這種技術手段還應降低駕駛員對地效飛行器的操作技巧，減輕駕駛員工作負荷，方便日常運行。第三，應有直接、簡便、精確和可靠的地效性能操控參數，改進現有的借用航空器飛行高度和速度的操控方式。出於對地效性能的效果和飛行安全性考慮，當前的地效飛行器可實用的運行方式是貼水面運行，並非貼陸地飛行，本發明討論的地效運行也是指貼水面的運行，不再專門聲明。地效飛行器的可用地效飛行高度範圍區間非常小，最大飛行高度非常低，在IGE與OGE之間的可用高度空間非常狹小，這就要求精確地控制和操作。一旦因駕駛員觀察、判斷或操作失誤，就會與水面碰擦，造成地效飛行器的結構破損、機體傾覆、部件撞毀、甚至機毀人亡的重大損失。如何精確控制IGE和OGE特性，同時還要保障貼地飛行的安全，就成為地效飛行器的一個特殊安全問題。即便有技術措施發揮IGE和OGE性能，在貼地飛行階段，駕駛員通過肉眼觀察地平線的能力受到嚴重挑戰，尤其是水面所導致的水汽，自然環境中的雷雨、大霧、早晨和黃昏等天氣因素的影響下，保持良好的飛行姿態，避免與水面碰撞，是保障地效飛行安全的基本要素。據公開資料報導，在研製進程中，「裏海怪物」大型地效飛行器因為發生此類重大事故，造成機體嚴重損傷，導致該項目擱置。總之，要滿足以下要求要有方便和精確的操控手段，充分利用地效性能，要保障貼地飛行的安全性，要降低飛行操作的技能要求，要實現有效地操控，要實現自動化輔助飛行，才能解決其實用性，使得地效飛行器具備推廣和普及條件。解決這個難題的技術方案中，有兩個關鍵技術要素一是實現貼地飛行的技術保障手段；二是實現貼地飛行的技術監督手段。這兩個技術要素的一個基本前提是，具有滿足地效飛行所需的操控參數和計量裝置。在這種操控參數和計量裝置的基礎上，形成基於自動化監控和自動化輔助地效飛行的技術方案。由此，實現一種適用於地效飛行器的、基於自動化機制的地效飛行管理系統。自從發明地效飛行器以來，人們一直沿用航空器的空速和飛行高度作為操控參數，相應地，其計量裝置主要沿用航空產品。例如，地效飛行器通常採用航空大氣測量裝置來測量飛行速度。這種裝置依據的原理是皮託效應。皮託效應測速是法國工程師HenryPITOT早在1837年發明的，一直沿用至今，但皮託效應測速的缺點是，低速測量時不可靠。航空大氣測量裝置的國際技術標準規定，最小適用空速不低於60節(111公裡/小時)。為了避免低速測量誤差過大而缺乏實用性，實際大氣數據測量產品的可實用的最小空速通常不低於70節。在這些速度下，地效飛行器通常已達離地狀態，因此缺乏精確操控地效飛行速度的計量手段。(普通飛機的起飛速度通常達到110節以上，使用皮託式空速測量裝置沒有問題)。在飛行高度測量方面，地效飛行器沿用了航空器測量飛行高度的裝置。它主要有兩種類型一是航空氣壓高度表，二是航空無線電高度表。航空氣壓高度表的國際技術標準指標規定，最小誤差為5米。地效飛行時，聞度變化範圍很小，例如如例中，地效飛行時的最大飛行高度為I米左右，則氣壓高度表的典型誤差 高達500%。航空無線電高度表的原理是計算發射和接收無線電波的時差而獲得距離(高度)信息，航空無線電高度表的國際技術標準水平規定，最小誤差為0. 6米，仍以前例為例，高度誤差也達10%。況且在地效應用場合裡，因為距離地面(或水面)較近，地表上的物體形狀各異，包括水浪的起伏，導致無線電高度讀數的幹擾。地效性能不僅取決於地效飛行器的自身設計性能，還深受地效飛行器所處的運行環境影響。在實際飛行中，左右機翼所產生的地效性能往往出現較明顯的差異，這是當前地效飛行不能穩定、安全地運行的一個重要因素。簡而言之，地效飛行器走向實用化的一個核心技術難題在於，地效飛行器必須貼地飛行，這是維繫地效飛行的命脈，同時，這又是超低空飛行的危險地帶，例如波濤威脅著飛行安全。現有的航空氣壓高度表和航空無線電高度表無法為地效飛行提供高精度的測控手段，難以實現有效的自動化操控解決方案。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種地效飛行器的地效飛行管理系統，其保障穩定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。本發明基於科學原理，提出滿足地效飛行所需的、更有效的地效飛行操控手段，這包括操控參數、計量技術及其裝置。在此基礎上，它還應有一定的自動化技術手段，以保障穩定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性；自動化地保持地效飛行的穩定性，減緩駕駛員的操作疲勞，增加地效飛行器的實用價值；最後，該系統還可以提供視頻和音頻形式的速度或者高度超限告警能力。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種地效飛行器的地效飛行管理系統，其特徵在於，其包括地效性能資料庫、翼渦距離和翼下空速探測器、誤差控制及算法模塊、處理平臺、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼-渦距離和翼下空速探測器與地效性能資料庫連接，地效性能資料庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺連接；地效性能資料庫存儲所設計的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數據，翼渦距離和翼下空速探測器利用圖像識別技術進行測量，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測器安裝位置的幾何數據修正計算，處理平臺完成飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動化的監控，視頻指示裝置根據處理平臺提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數據的指示功能，音頻告警裝置根據處理平臺提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數據告警功能，飛行控制裝置根據處理平臺提供的自動調節和控制的動態指令，實現自動化的跟隨控制。
本發明的積極進步效果在於本發明保障穩定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。本發明自動化地保持地效飛行的穩定性，減緩駕駛員的操作疲勞，增加地效飛行器的實用價值；最後，本發明還可以提供視頻和音頻形式的速度或者高度超限告警能力。
圖I為無地效時渦流的運動軌跡的示意圖。圖2為有地效時渦流的運動軌跡的示意圖。圖3為本發明有地效時渦流的運動軌跡的示意圖。圖4為本發明地效飛行管理系統的原理框圖。圖5為本發明地效飛行器裝有圖形識別傳感器的結構示意圖。圖6為本發明計算實測數據的原理示意圖。圖7為本發明地效性能圖形化顯示控制的一種顯示畫面設計方案的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。本發明的目的在於，基於科學原理，提出一種更有效的地效飛行操控手段。在這個新的技術解決方案中，首先提出用於控制地效飛行的、新的操控參數理念，直截了當地、有效地應用於控制IGE和OGE這兩個地效性能階段；其次，通過自動化的技術手段，對這些新的操控參數實現自動化監督和控制，減少地效飛行的駕駛員的人工操作工作份額。第三，通過應用軟體的開發，實現自動優化地效飛行的飛行性能管理功能。由此，將這種技術方案命名為地效飛行器的地效飛行管理系統，服務於推進地效飛行器實用化的需求。在提出新的操控參數方面，本發明基於地效所致的渦流路徑變化、減少誘導阻力，相當於放大了機翼的展弦比這一技術原理，將發生展弦比放大效應時的翼梢端面與分離的渦流路徑之間的直線距離作為一個操控參數A(以下簡稱為「翼-渦距離」)，而不是間接地以飛行高度或者飛行速度作為操控基礎，參見圖3。顯然，這個直線距離最大時，就是地效性能最大之時。與之相應地，我們得到飛行器利用地效飛行時的最大可用高度和飛行速度。這樣，就不再需要通過測量地效飛行器相對於地面的地理高度方能間接評估地效性能的間接控制方式。地效性能不僅取決於地效飛行器的自身設計性能，還深受地效飛行器所處運行環境的影響。在實際飛行中，左右機翼的地效性能往往出現較明顯的差異，這是導致地效飛行失去穩定性的一個原因。因此，可以進一步定義左右機翼各自分別測量，簡稱為左翼-渦距和右-翼渦距兩個子參數，以便實現精確操控，由此改進地效飛行器的飛行穩定性，增加實用價值，改進乘員舒適性。其次，本發明提出將形成「氣墊」時的氣流速度作為另一個操控參數。前述表明，翼下氣流速度最低時，「氣墊」效果最大，反之亦然，即當翼下氣流速度與鄰近空氣速度一致時，可認為氣墊作用已消失。由此，通過測量形成「氣墊」的氣流速度(以下簡稱為「翼下空速」)，自動化地測量和操控「氣墊」效果。換言之，當翼下氣流最小即「氣墊」效應最大時，就是地效飛行器的最小安全飛行高度。類似地，可以進一步分別測控左右翼下空速，實現精確操控，由此改進地效飛行器的飛行穩定性，提升乘員舒適性。在測量技術方面，提出通過基於圖形識別的處理技術，自動化地持續測量和操控上述翼渦距離和翼下空速這兩個參數。這一測量手段可以通過全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外和雷射探測等技術手段實現。附加地，為了增強可視性效果，可以設計相應的技術措施，包括在傳感器附近配置柔軟的高強度耐用性纖維質編織物，其移動狀態及變化作為圖形識別技術的測量對象。類似地，也可以利用氣壓變化的基本原理，選用機電式的位移感受裝置，典型地，例如角位移傳感器，可以精確測量出受氣流影響而變化的距離，由此建立數學模型，測算出翼渦距離和翼下空速的數值。 通過計算機化的處理平臺，利用上述翼-渦距離和翼下空速兩個參數，通過運算，得到用於自動調節和控制的動態指令，保障地效飛行器按照預定性能飛行。在自動飛行時，這些指令輸出給地效飛行器的飛行控制裝置，實現自動化的跟隨控制；在人工飛行時，這些指令輸出給顯示系統，以便駕駛員操控。這種操作可以是單一功能的，即僅有操控參數的測算功能；也可以是綜合化的，即利用處理平臺，提供測量、解算、控制和顯示功能。這種包括操控參數測算和處理平臺的綜合化裝置稱之為地效飛行管理系統。如圖4所示，本發明地效飛行器的地效飛行管理系統包括地效性能資料庫、翼渦距離和翼下空速探測器、誤差控制及算法模塊、處理平臺、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測器與地效性能資料庫連接，地效性能資料庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺連接，頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺連接；地效性能資料庫存儲所設計的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數據，這些數據表徵了地效飛行器在各種工作條件下的最大地效升力效果；以及最小翼下空速值的數據，這些數據表徵了地效飛行器在各種工作條件下的最大「氣墊」效果，由此建立對應於「最大地效升力」和「最大氣墊效應」對應的飛行高度和速度數據，通過匹配相應的發動機功率，得到所需動力值。這些數據之間的聯繫即可構成操控地效飛行所需要的飛行高度、速度和動力關係的數學模型。地效性能資料庫中所需存放的具體參數可以不是最終的距離值和速度值，而是探測這種距離和速度所採用的物理傳感器自身對應的測量物理量。當服務於自動化的飛行管理任務時，地效性能資料庫還應存放完整的地效飛行器性能和發動機數據，以便支持地效飛行管理系統的飛行性能計算和自動引導。需要說明的是，上述地效飛行器所設計的地效性能自身是研發地效飛行器所必須進行的科學實驗、數據收集和分析過程，這些地效性能是基於物理原理的客觀規律表現，並非本發明所特別需要的人為活動。翼-渦距離和翼下空速這兩個操控參數的效果不僅存在可視性，且存在著溫場和壓場的特殊變化，這是用以測量的基礎。翼渦距離和翼下空速探測器利用圖像識別技術進行測量。通過圖像識別技術來完成精確的距離和速度測量自身是當代圖像識別技術領域的一種典型應用。翼梢端面處的上繞渦流和翼下的「氣墊」效果在水面上體現的可視化形式是翻卷的水汽，同時，力學作用也必然造成溫場和壓場的變化。典型地，用於本發明所需的距離和速度探測器可以通過全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外和雷射探測等技術手段，結合具體的可視化設計手段來實現。也可以結合地效飛行器的總體設計構思，利用各類機電式的位移感受裝置，例如角位移傳感器，實現翼-渦距離和翼下空速這兩個參數的測量。全息攝影普遍應用於研究火箭高速飛行時的衝擊波，視頻攝像和紅外傳感器技術已經應用於大型民用飛機的起飛和著陸階段的視景增強，加上計算機處理平臺和資料庫技術，國際市場上不僅有了合成視景系統產品，還建立了業界的適航標準。因此，採集和處理的技術手段是多種多樣的，是成熟的。誤差控制及算法模 塊是一種用於校準採集原始數據的解算模塊，通常，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測器安裝位置的幾何數據修正計算，也包括實測偏差，諸如地效飛行器在不同載重和運行環境條件下翼-渦距離和翼下空速的實際值數據，由此可以通過「數學模型+實測偏差修正」這一工程常用方式，提供精確而便捷的測量數據輸出。處理平臺是一種計算機處理平臺，也可以是低成本的運算器晶片形式，它們的內部使用應用軟體，完成基於IGE和OGE兩個地效性能的階段對應的飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動化的監控。這種應用軟體是多種多樣的，例如，通過距離和速度探測器所探測並修正過的原始數據，應用軟體可以分析和比較地效性能資料庫的設計數據，得出所需飛行性能與距離和速度之間的對應數值。例如，翼-渦距離的增加體現在附加升力的增加；從而可以導出，在同等升力或者說同等載重條件下，可以減少的發動機的功率輸出。換言之，這就是更加節省燃油的飛行高度或者速度。為了便於工程實用，這些邏輯關係可以表述為一種實測數據與地效性能資料庫的數據比值。無論是翼-渦距離，還是翼下空速，當這個比值為「I」時，即可表徵地效飛行器已經達到最大地效性能，而小於或者大於這個比值時，分別表徵需要調節的控制量變化要求；繼而，通過監控這個比值與數值「I」的變化趨勢，得出調節控制的參數變化的操作方向。本發明提出的一種比值方法是，將設計值作為比值的分母，將實測值作為分子，這樣的比值變化較為符合人的心理習慣，方便駕駛員監視或操作運行。在處理平臺的應用軟體中，典型地還可以包括方便駕駛員操作的地效飛行高度與飛行速度之間的對應轉換計算，指示輸出和告警功能算法，以便為視頻指示和音頻告警裝置提供所需要的指示和告警信息輸入。在這個基礎上，處理平臺就可以通過應用軟體，例如地效飛行管理模塊，為地效飛行器提供飛行高度和飛行速度的操控調節值，特別地，設計一種自動化平衡功能，即通過實時監控，比較和自動化補償左右機翼的地效性能，可以較明顯地減少地效飛行器的波動和震蕩，增強了飛行軌跡的穩定性，增強地效飛行器的實用價值，改進乘員舒適性。在地效性能資料庫具有完整的地效飛行器性能和發動機數據的情況下，地效飛行管理模塊不僅可以提供所需的地效飛行高度和速度值計算和輸出，還可以與飛行控制裝置交聯，實現地效飛行器的自動化飛行管理任務。典型地，算法的核心能力體現在精確操控IGE和OGE兩個地效性能的階段，使利用本發明技術方案的地效飛行器可以充分發揮地效性能，自動化地保持地效飛行器的飛行軌跡的穩定性和均衡性，具有實用性和競爭性。視頻指示裝置可以採用常規的電子顯示器，視頻指示裝置根據處理平臺提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數據的指示功能。音頻告警裝置包括揚聲器和駕駛員耳機，音頻告警裝置根據處理平臺提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數據告警功能。電子顯示器提供的圖形指示信息包括基於圖形傳感器採集的原始數據、由計算機模擬的地平線或水平面顯示。這個視頻形象的地平線可以準確、有效地彌補駕駛員超低空飛行時的肉眼觀察地平線的效果，包括實際地形或水浪的高度輪廓，增強了飛行安全。飛行控制裝置根據處理平臺提供的自動調節和控制的動態指令，實現自動化的跟隨控制，保障地效飛行器按照預定性能飛行。本發明利用了一系列的科學原理，首先，提出利用地效飛行的力學原理來操控地效飛行的運行，而不是簡單地沿用航空器的飛行高度和空速概念進行操控的技術方案。即通過技術手段自動識別翼渦距離，以及自動識別翼下空速這兩個典型的地效特徵性性能，由此提出地效飛行器操控技術的一種新的解決方案；其次，通過建立實測值與地效性能數據的比值這種工程方式，有效而方便地解決了直接針對IGE和OGE兩個地效性能階段的操控。第三，通過對左翼渦距和右翼渦距等子參數的應用，增強了地效飛行器的飛行穩定性，增加了地效飛行器的實用價值，改進了乘員舒適性。在解決問題的思路上，不同於現有的地效飛行器藉助航空高度表和航空速度表、並通過簡單測量飛行高度和飛行速度，間接地控制地效飛行的傳統思維、科學原理和技術方案。換言之，本發明變革了現有的地效飛行控制要素，使地效飛行器的運行操作更安全，更實用。技術方案的這一變革，有效彌補了現有航空高度表和速度表在地效飛行器上的應用精度過差的長期困擾，有效地解決了現有地效飛行器這一新技術領域中的特殊問題。即通過技術手段的改變，為解決現有問題提供了一種新的技術方案。利用本發明所述的測量翼-渦距離，以及翼下空速這兩個參數來控制地效飛行器的運行操作，在具體手段上採用了圖形識別技術，有效解決了地效飛行器超低空貼地飛行時的精確測量需求，在實現途徑上不同於地效飛行器業界現有的、沿用航空界的飛行高度和空速控制方式。本發明提出操控翼-渦距離，以及翼下空速這兩個參數的方式是直接測量地效性能和效果，從技術原理上是測量和判斷地效氣動力性能是否滿足地效飛行需求。這種直接滿足地效飛行器運行操控的方法改變了業界現有的、通過沿用航空飛行的測量地表高度和飛行速度的來推斷地效性能的、間接獲得地效性能的需求。本發明創新的技術重點是提出了兩個直接控制地效飛行器運行的操控參數，本發明利用實測數據與理論數據的比值作為操控解算和判據。同時，地效飛行器自身的地效性能計算、利用圖像識別技術完成參數測量、通過電子裝置實現識別、計算、指示和告警等技術，在他們各自的技術領域裡，是成熟的，是這些領域的技術人員普遍知曉的。如圖5所示，在地效飛行器的左右機翼的翼梢端面外側和下方各裝備一套圖形識別傳感器(星狀符號示意)，稱之為翼梢傳感器。其中，外側傳感器識別和探測翼-渦距離，下方傳感器識別和探測翼下空速；在飛行器的頭部，配置一套有一定前傾角、從而具有一定前視功能的圖形識別傳感器，稱之為頭部傳感器，它識別前方地平線輪廓，以及探測飛行器頭部位置的空速數據。這些圖形識別傳感器自身可以使用現有的測量傳感器手段，包括各類基於計算機控制的全息攝影、視頻攝像、毫米波、紅外、雷射或者COMS圖像測量傳感器等技術手段，結合具體的可視化設計手段來實現。經費充裕時，也可將不同種類的圖形傳感器組合起來，發揮各自的性能優勢，構成適合地效飛行器專用的測量傳感器這一產品形式。
本發明提出的一種翼-渦距離實測數值與理論最大值的比值公式如下式(I)操控參數Hmax =實測數值/理論最大值............式(I)本發明提出的一種翼下空速的實測數值與鄰近氣流流速數值的比值公式如下式(2)操控參數Hmin =翼下空速/鄰近氣流流速............式(2)地效效應在飛行器運行時生成，而可用的地效性能需要達到一定速度後才能產生，即翼梢處上繞渦流開始與翼梢端面產生分離。由翼梢外側傳感器採集這個距離變化的數據。翼梢下方的傳感器採集翼下氣流的流速數據，作為翼下空速數據。頭部傳感器採集頭部位置的氣流流速，作為計算Hmin所需的鄰近氣流流速的數值，頭部傳感器還要探測前方地形輪廓，為識別和迴避前方障礙提供視覺識別和告警的信息輸入。計算平臺利用翼梢傳感器測得的翼-渦距離實測數據，與地效性能資料庫的理論最大數據值進行比較，即得到操控參數Hmax。在圖6中，數字I為機翼的示意，數字2為翼-渦直線距離的變化示意；數字3為翼-渦直線距離的測量示意，最外側的距離即為最大距離。在發動機功率持續增加時，操控參數Hmax的比值由小到大，也就是表徵了 IGE這一過程。當達到一個所設計的比值時，地效飛行器即可脫離地面，騰空飛行。這一點可以定為起飛離地速度，由此推導出起飛離地距離；如果發動機功率持續增加，操控參數Hmax的比值繼續增加，比值達到I時，達到最大地效飛行的高度，以及對應的飛行速度。無論發動機功率進一步增加，還是從此減少，操控參數Hmax的比值都會向小I的方向變化，地效性能從此開始衰退。進而，操控參數Hmax的比值下降意味著地效性能所提供的附加升力在下降，這就精確地表徵了 OGE過程。直到操控參數Hmax的比值減少到一個特定設計值時，可以認為地效性能基本喪失，這一點如果是發動機功率減少所致，所對應的飛行速度為著陸的速度值；這一點如是發動機功率持續增加所致，所對應的飛行速度即可用於判斷OGE階段結束，地效飛行器需要完全依賴自身的飛行性能實現騰空飛行。計算平臺利用翼梢端面向下方安裝的傳感器測得的翼下空速，與頭部傳感器測得的氣流流速比較，即操控參數Hmin的比值。操控參數Hmin的比值趨向於變小時，表徵為IGE過程。Hmin比值達到最小時，即認為翼下氣流的流速最小，「氣墊」效應最大。對應地，得到地效飛行的最低高度，以及相應的飛行速度。相反，操控參數Hmin的比值趨向於增加時，「氣墊」效應在減小，表徵為OGE過程。操控參數Hmin的比值接近於I時，可以認為「氣墊」效應基本消失。此時對應的高度和飛行速度可作為地效飛行器脫離地效「氣墊」效應時的控制參數。可見，通過Hmax和Hmin這兩個參數控制，我們得到了地效飛行器利用地效飛行時的最大飛行高度和最小飛行高度。在最大與最小飛行高度範圍內，我們得到了地效飛行器利用地效飛行的實用高度範圍。Hmax和Hmin這兩個參數的變化趨勢直截了當地表徵了地效飛行的IGE和OGE這兩個地效性能的表現，實現了地效飛行性能的精確判斷。地效作用與飛行速度直接相關。如果高度不變，通過速度變化來獲得相應的地效性能變化。為了方便駕駛員的監控和操作，我們可以列出地效飛行的飛行高度與飛行速度組合數據表；通過這種組合表，我們可以導出對應的發動機功率關係。本發明提出的一種典型的Hmax、高度、速度和發動機功率的飛行實用數據系列組合如表I所示。表IHmax、高度、速度和發動機功率數據組合表
權利要求
1.一種地效飛行器的地效飛行管理系統，其特徵在於，其包括地效性能資料庫、翼渦距離和翼下空速探測器、誤差控制及算法模塊、處理平臺、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測器與地效性能資料庫連接，地效性能資料庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺連接；地效性能資料庫存儲所設計的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數據，翼渦距離和翼下空速探測器利用圖像識別技術進行測量，誤差控制及算法模塊包括翼-渦距離和翼下空速探測器安裝位置的幾何數據修正計算，處理平臺完成飛行高度和速度選擇、操作控制以及自動化的監控，視頻指示裝置根據處理平臺提供的解算信息來完成地效飛行的最大高度、最小高度和飛行速度數據的指示功能，音頻告警裝置根據處理平臺提供的告警信息來完成地效飛行的高度和速度數據告警功能，飛行控制裝置根據處理平臺提供的自動調節和控制的動態指令，實現自動化的跟隨控制。
2.根據權利要求I所述的地效飛行器的地效飛行管理系統，其特徵在於，所述地效飛行器的左右機翼的翼梢端面外側和下方各裝備一套圖形識別傳感器。
3.根據權利要求I所述的地效飛行器的地效飛行管理系統，其特徵在於，所述處理平臺是一種計算機處理平臺。
全文摘要
本發明公開了一種地效飛行器的地效飛行管理系統，其包括地效性能資料庫、翼渦距離和翼下空速探測器、誤差控制及算法模塊、處理平臺、視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置，翼渦距離和翼下空速探測器與地效性能資料庫連接，地效性能資料庫還與誤差控制及算法模塊、處理平臺連接，視頻指示裝置、音頻告警裝置、飛行控制裝置與處理平臺連接；地效性能資料庫存儲所設計的地效飛行器的翼-渦距離的最大值數據，翼渦距離和翼下空速探測器利用圖像識別技術進行測量。本發明保障穩定地飛行安全能力，減少駕駛員觀察地平線的視覺要求，由此減少肉眼觀察誤差，提高地效飛行的安全性。
文檔編號G05D1/00GK102629139SQ20121010227
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者顧世敏 申請人:中國航空無線電電子研究所