飞机座舱温度数学模型

目前在国内外资料上看到的座舱温度数学模型都是在一定的条件下推导出来的,它们只适合于特定的条件。本文介绍的座舱温度数学模型分别考虑了座舱壁、舱内设备和座舱空气热容量对座舱温度的影响,是通用的座舱温度数学模型,现有的几种数学模型都是它在相应条件下的特殊情况。 本文介绍的数学模型经过适当的变换,可以导出热容量折算系数和当量时间常数的概念,为用实验方法确定座舱温度数学模型指明了方向和方法。本文将介绍通用数学模型的理论推导和三种形式,提出热容量折算系数、当量时间常数和当量热容量的概念,指出用实验方法确定座舱温度数学模型的方法。最后,提出并简单论述从温度控制角度研究和确定座舱热载荷及舱内空气分配的一种新想法。     

战斗机地面停放时飞行员综合热应激预测模型

预测夏季战斗机地面停放时飞行员的热应激,以提高航卫等有关人员对飞行员受高温影响的认识,并为采取必要的防护措施提供依据.首先由气象条件估算战斗机座舱内热环境参数,分析穿着夏季飞行基础服装时飞行员在座舱热环境中的热调节过程,模拟飞行员热生理指标变化情况,从而预测飞行员的热应激水平.编制了飞行员穿夏季基础着装在座舱中的热分析软件,给出了热应激预测结果,经高温舱试验验证,人体平均皮肤温度、核心温度及平均体温增值计算与试验结果变化趋势相同,且量值接近,热应激预警结果一致.综合热应激指数模型预测与试验结果对比偏差均小于20%,预测模型合理可靠,能满足使用要求.      

民用飞机驾驶舱构型快速设计方法

为在方案设计阶段提高民用飞机总体方案的设计质量和形成效率,研究了民用飞机驾驶舱构型的设计措施,并在一个开放式的飞机总体设计环境中实现了这一功能.定义了飞机机身坐标系,研究了确定驾驶员设计眼位、驾驶舱布置和风挡参数化设计与模型构建的方法.建立了交互式民机驾驶舱构型二、三维快速设计环境.在此基础上,实现了驾驶舱模型的自动化调整,为总体设计阶段进行多学科设计优化奠定了基础.通过设计实例证明了该方法的有效性.     

Tanabe模型和Smith热调节模型结合预测皮温效果分析

人体热调节模型用于描述人体内外热传递现象，预测热生理参数值。为利用人-服热模型评估室温环境控制，抓住人-服-环境传热的主要因素提出了人体热调节与服装热阻的耦合模型。所提模型由受控系统和热调节控制系统构成。受控系统采用Tanabe模型，把人体分为16个节段，每个节段由内到外分成核心、肌肉、脂肪和皮肤4层，外加与各组织层传热的中心血池，共65个节点，每个节点上利用Pennes生物热方程计算传热量。热调节控制系统采用Smith热调节模型中利用生理数据获取的经验控制方程描述血管舒缩、出汗率和寒颤3种人体基本热调节控制方式。结果表明:所提模型对皮肤温度的预测值与试验结果绝对误差最大值小于0.8 ℃，绝对误差平均值约为0.5 ℃，对试验工况下的人体皮肤温度有较好的预测结果。      

旅客机座舱综合环境质量评价模型

针对旅客机座舱综合环境质量评价问题,提出一种模糊综合评价模型.其采用分层评价体系,将座舱热环境、座舱空气质量以及座舱声、视、安全环境作为评价模型的第一层,各环境要求的具体评价因素作为评价模型的第二层,应用模糊综合评价方法,将两层因素结合在一起.在第二层次中,根据对座舱环境的影响,合理区分其重要程度,利用模糊运算得出初级评价结果,利用层次分析法,确定第一层次三方面的权重系数,从而得出座舱综合环境质量的评价结果,并通过求重心的方法解决了最大隶属度不适用的情况.还通过对具体实例的应用,证实了模型的可行性和合理性.      

大型客机驾驶舱气流热仿真及舒适性评价

驾驶舱的空气速度场和温度场直接影响驾驶员的热舒适和工效,是驾驶舱结构和环境控制系统设计中考虑的重要内容.对B737-800驾驶舱进行全尺寸三维建模,以高空夜航工作情况为例,采用商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件Fluent计算该驾驶舱的流场和温度场,再用平均温度评价指标和热环境综合评价指标PMV(Predicted Mean Vote)来对驾驶舱进行温度环境客观评价,并采用问卷调查法对飞行员进行驾驶舱内部空气流速和温度舒适度的主观评价.数值仿真结果与主观评价结果都得出B737-800驾驶舱在高空夜航时基本处于舒适的环境,除躯干和脚部由于偏凉而略感不舒适.数值仿真结果与客观评价结果的一致性,验证了大型客机驾驶舱气流热仿真的准确性.     

飞机驾驶舱显示界面脑力负荷判别预测生理模型

针对飞机驾驶舱显示界面脑力负荷的客观判别预测问题,综合采用事件相关电位(ERP)、心电图(ECG)和眼电图(EOG)3类生理测量技术,结合主观测评法和绩效测评法,在同一飞行实验任务中开展脑力负荷的实验测量与数学建模研究。实验结果表明:随着脑力负荷的增加,ERP测量技术中的失匹配负波(MMN)成分的峰值幅度(在Fz电极处)显著增加,P3a成分的峰值(在Fz电极处)显著降低;ECG测量技术中的心率变异性指标全部窦性心搏RR间期(简称RR间期)的标准差(SDNN)的数值显著降低;EOG测量技术中的眨眼次数显著降低。在此基础上,基于Bayes判别方法构建了脑力负荷判别预测生理综合评估模型,并将生理综合评估模型判别结果与NASA任务负荷指数(NASA_TLX)量表判别结果进行了比较,生理综合评估模型判别结果略高于NASA_TLX判别结果。该模型为飞机驾驶舱显示界面脑力负荷状态的客观、实时判定和预测提供了一种新的方法,同时也为中国正在研发的新型战斗机和大型客机驾驶舱显示界面中的人为因素适航审定工作提供了新的符合性验证工具。      

空调座舱热舒适性计算

 热舒适性是评价座舱空调系统的重要指标.根据人体热平衡方程和Fanger的舒适性假设建立了空调座舱的热舒适性计算模型,并给出了空调座舱热环境的评价方法,从而为热舒适的定量评价奠定了理论基础.应用此模型对3种座舱空调方案的热舒适性进行了计算,从热舒适角度比较了3种方案的优缺点,结果表明方案3是最优方案.     

基于复合材料的高余压座舱设计

面对我国军机座舱余压偏低现象,设计高余压座舱实现高工效、舒适座舱环境.为解决座舱质量和环境工效之间的矛盾,选用复合材料代替目前铝合金材料,应用First-Order Radio优化算法实现优化.目前座舱余压40 kPa,为提高工效,余压提高到55 kPa,余压值增加37.5%,座舱质量反减轻26.1%,使得矛盾得到协调.基于描述材料特性的本构关系,建立分析材料性能参数对结构影响的有限元模型,并将灵敏度分析Morris算法引入模型参数分析中,结果表明,影响结构的主要参数是蒙皮及环向加强筋的弹性模量和泊松比.基于分析结果对材料设计提出了一些建议.所得结论可为高余压座舱设计提供参考.      

座舱瞬态热载荷的计算与仿真

以我国新一代战斗机的研制为背景,提出了高精度的飞机座舱瞬态热载荷的计算与仿真方法.与传统的计算方法相比,通过联解传导-辐射-对流耦合的控制方程以求出蒙皮温度、座舱各壁面温度,同时考虑了透过舱盖、风挡等透明体的太阳辐射对舱内驾驶员、座椅及仪表盘这类内表面温度和舱内空气温度的影响.通过将座舱内外壁面和舱内空气作为一体联解方程组后,结合某飞行剖面求解了飞机座舱实时瞬态热载荷,并比较了采用本方法与传统方法对计算精度的影响.      

飞机环境控制系统的最小熵增分析

一种应用于飞机环境控制系统优化设计的新方法,以热力学第二定律为基础,运用熵增原理进行系统综合优化设计,分析了主要组成部件(热交换器和涡轮冷却器)以及座舱温度舒适性要求指标对系统熵增的影响.以某型飞机环境控制系统为例,通过数学建模和计算机仿真,获得了不同结构参数下,系统运行在最小熵增状态时的引气与供气参数优化匹配结果.研究表明,提出的最小熵增分析方法对未来复杂飞机环境控制系统的综合设计具有重要的指导意义.      

飞机座舱工效学综合评价研究及其应用

飞机座舱工效学综合评价是座舱研制中一个极其重要的问题.以往座舱研制过程中往往为其工程质量提出种种衡量标准而忽视了工效学综合评价,常导致设计出的座舱存在不少工效学方面的问题,原因在于没有合适的、可操作的评价方法和评价指标来指导座舱的工效学评价.针对此问题,提出了一种综合评价的方法体系.该体系能够实现征求和提炼专家群体的意见,考虑了工效学评价的模糊性,能较客观、科学的对飞机座舱工效学进行定量地综合评价,为比较类似设计方案的优劣提供了理论基础和方法.应用此方法,结合研究项目,对某型号飞机座舱尺寸设计的工效学进行了评价.评价结果得到了航空工程部门专家的认可.     

空间多层打孔隔热材料热分析数值方法研究

分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射换热的复合传热问题,建立了关于反射屏的能量方程。结合有限差分法,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏瞬态温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型,空间环境作为整个模拟中的一个屏,使模型的边界条件方便处理。将该模型的预测结果与文献中相似工况下的预测值和实验值进行比较,说明了该模型在工程中应用的可行性。另一算例的计算结果说明了空间多层打孔隔热材料的瞬态温度、漏热热流变化特点以及反射屏温度分布特点。该模型为多层打孔隔热材料热结构性能研究以及优化设计提供了理论基础。     

飞机环境控制系统的模糊控制研究

地面实验表明,采用传统PID(Proportional-Integral-Differential)控制方法的飞机环境控制系统不能很好的解决电子设备和座舱的温度控制问题.采用了基于遗传算法优化的模糊控制方法,根据系统不同的工作任务,分别采用了2种模糊控制规则.通过优化输入输出变量的隶属度函数参数,使得新的模糊控制系统具有响应快、超调小、稳态精度高的特点.仿真表明,该模糊控制系统优于原系统并且能够满足飞机环境控制系统的设计要求.      

旅客机环境控制系统方案分析

介绍了波音公司和空中客车公司环境控制系统的发展现状,提出了一种使用R134a工质的变频蒸发式制冷的环境控制系统,应用起飞总质量法进行了代偿损失分析,对给定飞行剖面上的能量消耗进行了计算及定性分析,并以燃油消耗为指标对新系统的能耗特性与采用空气制冷的环境控制系统进行了比较.新系统有效降低了燃油消耗(仅21.93kg/min,约是传统系统的40%),提高了飞行的经济性。系统的低噪音、灵活调节和无污染供气,能够提高座舱的健康、舒适度.     

载人航天器座舱环境控制系统建模与性能分析

文章以航天器座舱大气环境控制系统为研究对象引出了该系统主要部件的数学控制方程,基于建模语言Modelica建立了重用性高、易于扩展和使用高效的环境控制系统模型库,并阐述了基本的建模方法。利用模型库构建了典型的航天器座舱大气环境控制系统,对温湿度控制、供气调压和二氧化碳净化的性能及其控制方法进行仿真分析,提出了主动温湿度综合控制方法。仿真分析结果表明:供气调压、大气净化和温湿度控制之间存在紧密耦合、互相影响的关系;主动温度控制方法虽然适合温湿度控制,但主动温湿度综合控制方法的性能优于前者;航天员活动状态对各分系统有显著影响,设计和运行管理过程中要重点考虑其动态变化。文中所建模型库和分析结论为载人航天器座舱大气环境控制系统设计改进和运行管理提供了有效的工具及方法 。     

卫星复合材料构件在真空冷热循环中的永久变形及其预示

本文介绍了碳布铝蜂窝制成的天线反射器、小模型及其材料的真空冷热循环试验和永久变形的预示方法。在30次从-144～117℃的冷热交变循环过程中,测量了温度分布与相应的变形,给出了试验数据与图表。根据实测的永久变形与温度循环次数的关系,提出了一个幂函数的数学模型。利用该模型,根据少量试验数据可预示长期冷热循环下的永久变形或工作寿命。     

退火算法在电子元件位置优化上的应用

一块电路板上有电子元件，它们不仅有热源，而且相互和，另外与空气还交换热，对这类问题建立线性数学模型，从而算出温度稳态分布，因为许多集成电路系统可靠性很大程度上取愉于温度，所以温度的模拟显向很重要性，把温度模型与退火算法相结合可以获得元件最接近优化的布局，并用一个例子加以说明，通过优化能降低板子最高温度，从而提高系统的可靠性。     

退火算法在电子元件位置优化上的应用1)

一块电路板上有电子元件，它们不仅有热源，而且相互作用，另外与空气还交换热. 对这类问题建立线性数学模型，从而算出温度稳态分布. 因为许多集成电路系统的可靠性很大程度上取决于温度，所以温度的模拟显得很重要.把温度模型与退火算法相结合可以获得元件最接近优化的布局，并用一个例子加以说明，通过优化能降低板子最高温度，从而提高系统的可靠性.     

气动式座舱压力调节系统稳定性的分析与优化

为了解决气动式座舱压力调节系统装配飞机时出现的座舱压力波动现象,分析了座舱压力控制系统的组成,根据余压段实际参与压力调制的组件,对控制系统进行了简化,以此为例分析系统的稳定性。首先对系统中的非线性环节进行了详细分析,得到其描述函数和负导描述函数曲线。比较了小孔-气容结构在常压、小幅充放气条件下的过渡过程,发现在该使用条件下的充放气时间基本相等,据此将小孔-气容结构的传递函数建模为一阶环节,指出了二者的相同及不同之处。使用描述函数的方法对系统的稳定性进行判断,提出了实现稳定的可行性方法。全物理仿真结果表明,使用该方法可使座舱压力调节系统的性能达到规范所要求的指标。