一种面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型构建方法

技术领域

本发明属于计算机建模仿真领域，特别涉及一种面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型构建方法。

背景技术

海上搜救任务仿真能够在执行实际海上搜救任务前，通过仿真手段进行搜救任务预演和搜救任务效能评估，为决策者制定搜救方案提供依据。直升机是海上搜救任务中最常用的航空装备之一，而作为直升机仿真模型构建的关键一环，油耗模型的可靠程度直接决定了整个仿真过程的合理性。

目前，在多数搜救任务仿真中会采用经验耗油率数据进行简单的油耗计算，由于直升机的飞行状态复杂，这类简化的油耗模型与实际通常存在较大出入。而现有的较为精确的直升机油耗模型构建方法，通常通过构建直升机动力学模型，计算当前飞行状态下的需用功率，再由发动机油耗特性曲线查出当前状态下的耗油率。这种模型构建方法需要反复查阅飞行手册，且在仿真过程中对计算资源的需求大，很难在任务级仿真中应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型构建方法，建立了面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型，该模型用于计算仿真过程中直升机的燃油消耗。本发明在简化模型的同时，体现了直升机执行海上搜救任务不同阶段（爬升、悬停、巡航等）及不同飞行状态（速度、高度、载重等）对油耗的影响，使模型在海上搜救任务仿真中具备工程应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型构建方法，包括如下步骤：

S1. 根据直升机执行海上搜救任务的流程，将直升机执行海上搜救任务过程中的飞行阶段定义为巡航阶段、悬停阶段和爬升阶段；

S2. 构建巡航阶段油耗模型如下：

式中，

S3：假设直升机悬停阶段的耗油率无地效影响，构建悬停阶段油耗模型如下：

式中，

S4: 构建爬升阶段油耗模型如下：

式中，

S5：依据仿真过程中直升机执行海上搜救任务所处的不同飞行阶段，从步骤S2-S4中构建的巡航阶段油耗模型、悬停阶段油耗模型和爬升阶段油耗模型中选择对应的油耗模型，进行耗油率计算。

进一步，步骤S2具体过程如下：

S21：依据飞行手册，读取巡航阶段不同的直升机总重

S22：利用二次多项式曲面拟合方式，建立巡航阶段直升机单发功率百分比

S23：利用分段线性拟合方式，建立巡航阶段耗油率

S24：将当前直升机总重

进一步，步骤S3具体过程如下：

S31：依据飞行手册，分别读取悬停阶段不同的悬停高度

S32：利用二次多项式曲面拟合方式，建立悬停阶段耗油率

S33：将当前直升机总重

进一步，步骤S4具体过程如下：

S41：依据飞行手册，分别读取爬升阶段不同的直升机总重

S42：以横轴坐标值为中间变量，利用二次多项式曲面拟合方式，建立横轴坐标值与直升机总重

S43：利用二次多项式拟合方式，建立爬升阶段油耗率

S44：利用二次多项式拟合方式，建立爬升总时间

S45. 将当前直升机总重

进一步，步骤S5具体过程如下：

定义仿真步长为

式中，

第

获取直升机在第

第

获取直升机在第

以此类推，计算出仿真过程中每个仿真步长内直升机的耗油率和燃油消耗量。

本发明的有益效果：

1）本发明的模型构建过程所需的基础数据来源于各型直升机的飞行手册，数据真实可靠；

2）与其它油耗模型构建方法相比，本发明的油耗模型构建过程所需的基础数据量小，极大减小了模型构建过程的数据采集成本；

3）本发明构建的模型综合考虑了直升机执行海上搜救任务过程中不同飞行阶段下直升机总重、速度、高度等主要因素对燃油消耗的影响，确保了燃油消耗计算结果的可靠性；

4）与其它油耗模型相比，本发明构建的油耗模型计算量小，可以极大提高海上搜救任务仿真的运行效率。

附图说明

图1是本发明实施例的油耗模型建模流程；

图2是本发明实施例的巡航阶段油耗数据采集与拟合结果；

图3是本发明实施例的悬停阶段油耗数据采集与拟合结果；

图4是本发明实施例的爬升阶段油耗数据采集与拟合结果；

图5是本发明实施例的海上搜救任务仿真中油耗模型仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步描述本发明，本实施例以S76C++型直升机为例。应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图 1所示，本实施例的面向海上搜救任务仿真的直升机油耗模型构建方法包括如下步骤：

S1：任务流程划分与飞行阶段定义

假定在海上搜救任务仿真过程中，直升机不进行机动飞行，则依据实际救援任务特点，直升机执行海上搜救任务的典型流程可以简化为起飞、爬升、前往目标点、搜索、救援、返航、降落等几个典型飞行过程。一般而言，直升机前往目标点、搜索、返航等飞行过程均为定高巡航飞行，而救援阶段一般为垂直起降过程，可以视为若干悬停过程的叠加。因此，可以将直升机执行海上搜救任务过程中的飞行阶段定义为巡航阶段、悬停阶段、爬升阶段三类。

在不同的飞行阶段中，直升机的耗油率及其影响因素明显不同，下面针对不同的飞行阶段分别构建油耗模型，进行耗油率计算。

S2. 构建巡航阶段油耗模型

依据飞行手册提供的巡航阶段油耗曲线图，如图2所示，直升机在巡航阶段的耗油率与飞行高度、速度、总重、环境温度等均存在一定的关系。在海上搜救任务仿真过程中，假定环境条件均近似为标准大气条件（ISA），无极端高温和低温等情况出现。另外，直升机执行海上搜救任务时，其巡航高度一般有明确的规定（900米左右）。综上，可以认为在海上搜救任务仿真中，直升机巡航阶段的耗油率是直升机巡航飞行速度与总重的函数：

式中，

依据飞行手册的说明，当直升机单发功率百分比低于一定值时，引气活门打开会导致耗油量规律发生变化，因此不便从油耗曲线图中直接读出耗油率数据。本实施例引入直升机单发功率百分比参数，通过建立耗油率与直升机单发功率百分比的分段线性函数关系，以及直升机单发功率百分比与飞行速度、总重的函数关系，构建巡航阶段油耗模型如下：

式中，

依据飞行手册，读取3000英尺标准大气条件下直升机定高巡航阶段不同直升机总重

依据飞行手册，读取该条件下直升机耗油率

综上，在仿真过程中，将直升机当前总重

S3. 构建悬停阶段油耗模型

依据飞行手册提供的悬停阶段油耗曲线图，如图3所示，悬停阶段直升机耗油率受悬停高度、直升机总重、环境温度等的影响，还可能受到地面效应的影响。根据实际救援过程特点，直升机在起飞阶段需要在距地面5英尺轮高处悬停，将发动机扭矩增加到一定值后方可起飞，而直升机仅在这段时间内受地面效应的影响，这段时间持续较短，耗油量较少，因此在悬停阶段油耗模型建立过程中不予考虑。另外，在悬停阶段油耗模型建立过程中，同样给定步骤S2中的标准大气条件假设。综上，可以认为在海上搜救任务仿真中，直升机悬停阶段的耗油率是无地效影响的，是直升机悬停高度与直升机总重的函数：

式中，

在实际海上搜救任务中，直升机悬停高度一般不会超过6000英尺（约1800米）。因此，依据飞行手册，读取0英尺、3000英尺、6000英尺三个悬停高度

综上，在仿真过程中，将直升机当前总重

S4. 构建爬升阶段油耗模型

依据飞行手册提供的爬升阶段油耗曲线图，如图4所示，可以看出爬升阶段直升机耗油率与直升机总重、目标爬升高度、环境温度等相关。基于步骤S2中的标准大气条件假设，可以认为在海上搜救任务仿真中，直升机爬升阶段耗油率是直升机总重和目标爬升高度的函数：

式中，

依据飞行手册，如图4中箭头所示，爬升阶段油耗的读取方法为：根据爬升阶段直升机总重和目标爬升高度，从左边第一张曲线图中读出对应的横轴

依据飞行手册，从左边第一张曲线图中，分别读取爬升阶段不同直升机总重

从图4左边第二个曲线图中，读取不同

式中，爬升总时间

从图4左边第三个曲线图中，读取不同

式中，

可以假设，若直升机总重不变，则直升机爬升阶段近似为耗油率恒定阶段，耗油率计算方法为

综上，在仿真过程中，将直升机当前总重

S5. 计算仿真过程中耗油率

在海上搜救任务仿真过程中，计算直升机燃油消耗量的方法通常为：

式中，

通过上述分析可知，在整个仿真过程中，耗油率会随直升机飞行的阶段不同、当前飞行状态不同而变化。因此在计算燃油消耗量时，应当依据仿真中直升机执行海上搜救任务所处的不同飞行阶段，选择不同的油耗模型，再获取仿真过程中直升机的当前飞行状态参数，代入各油耗模型进行耗油率计算，通过对时间的积分，求得仿真过程中的燃油消耗量。

在实际仿真过程中，通常的做法是，定义仿真步长为

式中，

第

获取直升机在第

第

获取直升机在第

以此类推，可以计算出仿真过程中每个仿真步长内直升机的耗油率和燃油消耗量，图5为某次海上搜救任务仿真中本发明的油耗模型仿真结果。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。