CN102629139B - 地效飞行器的地效飞行管理*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地效飞行器的地效飞行管理***，其包括地效性能数据库、翼-涡距离和翼下空速探测器、误差控制及算法模块、处理平台、视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置，翼-涡距离和翼下空速探测器与地效性能数据库连接，地效性能数据库还与误差控制及算法模块、处理平台连接，视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置与处理平台连接；地效性能数据库存储所设计的地效飞行器的翼-涡距离的最大值数据，翼-涡距离和翼下空速探测器利用图像识别技术进行测量。本发明保障稳定地飞行安全能力，减少驾驶员观察地平线的视觉要求，由此减少肉眼观察误差，提高地效飞行的安全性。

Description

地效飞行器的地效飞行管理***

技术领域

本发明涉及一种管理***，特别是涉及一种地效飞行器的地效飞行管理***。

背景技术

地效飞行器利用了空气的可压缩性，通过贴近地面（或水面）飞行的方式，获得“气垫”效应；同时，利用地面效应，减少机翼诱导阻力，有效提升升力性能，实现高速航行。

机翼上下表面的气压压差形成升力，但也导致下部气流朝上方环流，这种向上环绕包围机翼的气流称之为涡流。涡流降低了机翼升力效率，严重时影响飞行安全。飞行器在贴地飞行时，由于地表的压制作用，这种涡流的运动轨迹由空中的圆形轨迹（如图1所示）延迟为椭圆形轨迹（如图2所示）。这种地面效应延迟了涡流的上绕速度，增加了涡流的上绕路径，减少对机翼上表面的气流干扰，显著提升了机翼的升力效率。这种地效的效果达到最大时，通常相当于增加了多达40%的升力。或者，反过来说，在同等升力需求下，利用这种涡流的延缓效果，可以显著减少机翼的物理尺寸要求，由此显著减轻了结构重量。从运行角度说，在同等功耗下，地效增加的升力越多，地效飞行器的航程越大，或是地效飞行器的商载越大。

飞行器在十分接近地面时，例如，机翼下表面距离地面只有十多厘米时，机翼下方空气受到极度压缩，形成一个特别强大的气压高压区，机翼下方空气流动几乎停滞，形成最大的“气垫”效应。

因此，通过地面效应来延缓机翼涡流影响，以及产生最大的“气垫”效应这两个要求，是地效飞行器利用地效飞行的基本原理，并作为地效飞行的工作环境。换言之，为保障地效飞行器安全、有效和正常地利用地效来飞行，最低离地高度不能低于最大“气垫”效应高度，而最大飞行高度不宜高于延缓机翼涡流的最有效高度。如果偏离这个高度区域，地效飞行器虽然可以使用，但失去了利用地效这一特色获得的效益，从而失去了与常规飞机或航船运输方式的竞争力。

我国两院院士顾诵芬、中国科学院院士、中国力学协会会长崔尔杰曾联名撰写《填补运输效率的黄金空白——地面效应原理与地效飞行器》一文，宣传和推动我国的地效飞行器的研发，我国的一些高科技企业也在大力研发这类先进的运输工具。地效飞行器不仅可以广泛承担各类运输任务，而且在国民经济建设和国防领域具有特殊的战略价值，例如用于海难救援，支持快速部署。国际上公认的地效飞行技术先驱是苏联和德国，其他欧美工业发达国家均在大力研究这一先进的运输载体。苏联早在上世纪六十年代就开始秘密研制大型地效飞行器，一种被西方命名为“里海怪物”的大型地效飞行器长106.1米，翼展40米，起飞重量高达500吨。

但是，地效飞行作为当代一种新的学科和先进的高科技领域，当前仅有搭载2-10人左右的小型地效飞行器初步投入使用，大型地效飞行器的主要优势在于载荷大且要求中长程运输能力，尚有操控方面的技术壁垒亟待攻克，才能进入实用阶段。因为，地效飞行器的最大优势不仅在于利用地效完成起飞和降落，更在于利用地效性能稳定地巡航。这就要求方便可靠的技术手段来精确判断地效性能，解决大型地效飞行器的飞行操控手段，保障贴地巡航的飞行安全。不能仅仅限于风平浪静的良好天气条件运行，也不能通过培养驾驶员的高超个人技能来实现地效飞行器的实用化和普及。

国际上现有对地效性能的公知是，地效飞行器的最大“气垫”效应高度不超过十几厘米，而最大延缓机翼涡流的高度大致为机翼翼弦的二分之一。即，如果机翼的翼弦长2米，利用地效飞行时，地效飞行器的最大离地高度以1米左右为宜；在大于翼展10倍的高度上，通常认为地效作用完全丧失。

国际上，通常把增加地效性能的飞行过程称之为IGE（Into GroundEffect，增加地效性能）；把减少地效性能的飞行过程称之为OGE（Out GroundEffect，减少地效性能）。既然地效性能由涡流路径变化和“气垫”作用两部分组成，当前借用航空器飞行高度和飞行速度来控制地效飞行的性能，并非是一种简明、直接的精确操控方式。

可见，作为一种运输工具，尤其是具有商业价值的中大型地效飞行器，进入实用化所必须解决的关键难题是，有技术手段保障在一个非常狭小的高度变化范围内，安全地、有效地、精确地利用地效性能，低空巡航飞行；其次，这种技术手段还应降低驾驶员对地效飞行器的操作技巧，减轻驾驶员工作负荷，方便日常运行。第三，应有直接、简便、精确和可靠的地效性能操控参数，改进现有的借用航空器飞行高度和速度的操控方式。

出于对地效性能的效果和飞行安全性考虑，当前的地效飞行器可实用的运行方式是贴水面运行，并非贴陆地飞行，本发明讨论的地效运行也是指贴水面的运行，不再专门声明。

地效飞行器的可用地效飞行高度范围区间非常小，最大飞行高度非常低，在IGE与OGE之间的可用高度空间非常狭小，这就要求精确地控制和操作。一旦因驾驶员观察、判断或操作失误，就会与水面碰擦，造成地效飞行器的结构破损、机体倾覆、部件撞毁、甚至机毁人亡的重大损失。如何精确控制IGE和OGE特性，同时还要保障贴地飞行的安全，就成为地效飞行器的一个特殊安全问题。

即便有技术措施发挥IGE和OGE性能，在贴地飞行阶段，驾驶员通过肉眼观察地平线的能力受到严重挑战，尤其是水面所导致的水汽，自然环境中的雷雨、大雾、早晨和黄昏等天气因素的影响下，保持良好的飞行姿态，避免与水面碰撞，是保障地效飞行安全的基本要素。据公开资料报道，在研制进程中，“里海怪物”大型地效飞行器因为发生此类重大事故，造成机体严重损伤，导致该项目搁置。

总之，要满足以下要求：要有方便和精确的操控手段，充分利用地效性能，要保障贴地飞行的安全性，要降低飞行操作的技能要求，要实现有效地操控，要实现自动化辅助飞行，才能解决其实用性，使得地效飞行器具备推广和普及条件。

解决这个难题的技术方案中，有两个关键技术要素：一是实现贴地飞行的技术保障手段；二是实现贴地飞行的技术监督手段。这两个技术要素的一个基本前提是，具有满足地效飞行所需的操控参数和计量装置。在这种操控参数和计量装置的基础上，形成基于自动化监控和自动化辅助地效飞行的技术方案。由此，实现一种适用于地效飞行器的、基于自动化机制的地效飞行管理***。

自从发明地效飞行器以来，人们一直沿用航空器的空速和飞行高度作为操控参数，相应地，其计量装置主要沿用航空产品。例如，地效飞行器通常采用航空大气测量装置来测量飞行速度。这种装置依据的原理是皮托效应。皮托效应测速是法国工程师Henry PITOT早在1837年发明的，一直沿用至今，但皮托效应测速的缺点是，低速测量时不可靠。航空大气测量装置的国际技术标准规定，最小适用空速不低于60节（111公里/小时）。为了避免低速测量误差过大而缺乏实用性，实际大气数据测量产品的可实用的最小空速通常不低于70节。在这些速度下，地效飞行器通常已达离地状态，因此缺乏精确操控地效飞行速度的计量手段。（普通飞机的起飞速度通常达到110节以上，使用皮托式空速测量装置没有问题）。

在飞行高度测量方面，地效飞行器沿用了航空器测量飞行高度的装置。它主要有两种类型：一是航空气压高度表，二是航空无线电高度表。航空气压高度表的国际技术标准指标规定，最小误差为5米。地效飞行时，高度变化范围很小，例如前例中，地效飞行时的最大飞行高度为1米左右，则气压高度表的典型误差高达500%。航空无线电高度表的原理是计算发射和接收无线电波的时差而获得距离（高度）信息，航空无线电高度表的国际技术标准水平规定，最小误差为0.6米，仍以前例为例，高度误差也达10%。况且在地效应用场合里，因为距离地面（或水面）较近，地表上的物体形状各异，包括水浪的起伏，导致无线电高度读数的干扰。

地效性能不仅取决于地效飞行器的自身设计性能，还深受地效飞行器所处的运行环境影响。在实际飞行中，左右机翼所产生的地效性能往往出现较明显的差异，这是当前地效飞行不能稳定、安全地运行的一个重要因素。

简而言之，地效飞行器走向实用化的一个核心技术难题在于，地效飞行器必须贴地飞行，这是维系地效飞行的命脉，同时，这又是超低空飞行的危险地带，例如波涛威胁着飞行安全。现有的航空气压高度表和航空无线电高度表无法为地效飞行提供高精度的测控手段，难以实现有效的自动化操控解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地效飞行器的地效飞行管理***，其保障稳定地飞行安全能力，减少驾驶员观察地平线的视觉要求，由此减少肉眼观察误差，提高地效飞行的安全性。本发明基于科学原理，提出满足地效飞行所需的、更有效的地效飞行操控手段，这包括操控参数、计量技术及其装置。在此基础上，它还应有一定的自动化技术手段，以保障稳定地飞行安全能力，减少驾驶员观察地平线的视觉要求，由此减少肉眼观察误差，提高地效飞行的安全性；自动化地保持地效飞行的稳定性，减缓驾驶员的操作疲劳，增加地效飞行器的实用价值；最后，该***还可以提供视频和音频形式的速度或者高度超限告警能力。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种地效飞行器的地效飞行管理***，其特征在于，其包括地效性能数据库、翼-涡距离和翼下空速探测器、误差控制及算法模块、处理平台、视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置，翼-涡距离和翼下空速探测器与地效性能数据库连接，地效性能数据库还与误差控制及算法模块、处理平台连接，视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置与处理平台连接；地效性能数据库存储所设计的地效飞行器的翼-涡距离的最大值数据，翼-涡距离和翼下空速探测器利用图像识别技术进行测量，误差控制及算法模块包括翼-涡距离和翼下空速探测器安装位置的几何数据修正计算，处理平台完成飞行高度和速度选择、操作控制以及自动化的监控，视频指示装置根据处理平台提供的解算信息来完成地效飞行的最大高度、最小高度和飞行速度数据的指示功能，音频告警装置根据处理平台提供的告警信息来完成地效飞行的高度和速度数据告警功能，飞行控制装置根据处理平台提供的自动调节和控制的动态指令，实现自动化的跟随控制。

本发明的积极进步效果在于：本发明保障稳定地飞行安全能力，减少驾驶员观察地平线的视觉要求，由此减少肉眼观察误差，提高地效飞行的安全性。本发明自动化地保持地效飞行的稳定性，减缓驾驶员的操作疲劳，增加地效飞行器的实用价值；最后，本发明还可以提供视频和音频形式的速度或者高度超限告警能力。

附图说明

图1为无地效时涡流的运动轨迹的示意图。

图2为有地效时涡流的运动轨迹的示意图。

图3为本发明有地效时涡流的运动轨迹的示意图。

图4为本发明地效飞行管理***的原理框图。

图5为本发明地效飞行器装有图形识别传感器的结构示意图。

图6为本发明计算实测数据的原理示意图。

图7为本发明地效性能图形化显示控制的一种显示画面设计方案的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明的目的在于，基于科学原理，提出一种更有效的地效飞行操控手段。在这个新的技术解决方案中，首先提出用于控制地效飞行的、新的操控参数理念，直截了当地、有效地应用于控制IGE和OGE这两个地效性能阶段；其次，通过自动化的技术手段，对这些新的操控参数实现自动化监督和控制，减少地效飞行的驾驶员的人工操作工作份额。第三，通过应用软件的开发，实现自动优化地效飞行的飞行性能管理功能。由此，将这种技术方案命名为地效飞行器的地效飞行管理***，服务于推进地效飞行器实用化的需求。

在提出新的操控参数方面，本发明基于地效所致的涡流路径变化、减少诱导阻力，相当于放大了机翼的展弦比这一技术原理，将发生展弦比放大效应时的翼梢端面与分离的涡流路径之间的直线距离作为一个操控参数A（以下简称为“翼-涡距离”），而不是间接地以飞行高度或者飞行速度作为操控基础，参见图3。

显然，这个直线距离最大时，就是地效性能最大之时。与之相应地，我们得到飞行器利用地效飞行时的最大可用高度和飞行速度。这样，就不再需要通过测量地效飞行器相对于地面的地理高度方能间接评估地效性能的间接控制方式。地效性能不仅取决于地效飞行器的自身设计性能，还深受地效飞行器所处运行环境的影响。在实际飞行中，左右机翼的地效性能往往出现较明显的差异，这是导致地效飞行失去稳定性的一个原因。因此，可以进一步定义左右机翼各自分别测量，简称为左翼-涡距和右翼-涡距两个子参数，以便实现精确操控，由此改进地效飞行器的飞行稳定性，增加实用价值，改进乘员舒适性。其次，本发明提出将形成“气垫”时的气流速度作为另一个操控参数。前述表明，翼下气流速度最低时，“气垫”效果最大，反之亦然，即当翼下气流速度与邻近空气速度一致时，可认为气垫作用已消失。由此，通过测量形成“气垫”的气流速度（以下简称为“翼下空速”），自动化地测量和操控“气垫”效果。换言之，当翼下气流最小即“气垫”效应最大时，就是地效飞行器的最小安全飞行高度。类似地，可以进一步分别测控左右翼下空速，实现精确操控，由此改进地效飞行器的飞行稳定性，提升乘员舒适性。

在测量技术方面，提出通过基于图形识别的处理技术，自动化地持续测量和操控上述翼-涡距离和翼下空速这两个参数。这一测量手段可以通过全息摄影、视频摄像、毫米波、红外和激光探测等技术手段实现。附加地，为了增强可视性效果，可以设计相应的技术措施，包括在传感器附近配置柔软的高强度耐用性纤维质编织物，其移动状态及变化作为图形识别技术的测量对象。类似地，也可以利用气压变化的基本原理，选用机电式的位移感受装置，典型地，例如角位移传感器，可以精确测量出受气流影响而变化的距离，由此建立数学模型，测算出翼-涡距离和翼下空速的数值。

通过计算机化的处理平台，利用上述翼-涡距离和翼下空速两个参数，通过运算，得到用于自动调节和控制的动态指令，保障地效飞行器按照预定性能飞行。在自动飞行时，这些指令输出给地效飞行器的飞行控制装置，实现自动化的跟随控制；在人工飞行时，这些指令输出给显示***，以便驾驶员操控。这种操作可以是单一功能的，即仅有操控参数的测算功能；也可以是综合化的，即利用处理平台，提供测量、解算、控制和显示功能。这种包括操控参数测算和处理平台的综合化装置称之为地效飞行管理***。

如图4所示，本发明地效飞行器的地效飞行管理***包括地效性能数据库、翼-涡距离和翼下空速探测器、误差控制及算法模块、处理平台、视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置，翼-涡距离和翼下空速探测器与地效性能数据库连接，地效性能数据库还与误差控制及算法模块、处理平台连接，频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置与处理平台连接；

地效性能数据库存储所设计的地效飞行器的翼-涡距离的最大值数据，这些数据表征了地效飞行器在各种工作条件下的最大地效升力效果；以及最小翼下空速值的数据，这些数据表征了地效飞行器在各种工作条件下的最大“气垫”效果，由此建立对应于“最大地效升力”和“最大气垫效应”对应的飞行高度和速度数据，通过匹配相应的发动机功率，得到所需动力值。这些数据之间的联系即可构成操控地效飞行所需要的飞行高度、速度和动力关系的数学模型。地效性能数据库中所需存放的具体参数可以不是最终的距离值和速度值，而是探测这种距离和速度所采用的物理传感器自身对应的测量物理量。当服务于自动化的飞行管理任务时，地效性能数据库还应存放完整的地效飞行器性能和发动机数据，以便支持地效飞行管理***的飞行性能计算和自动引导。需要说明的是，上述地效飞行器所设计的地效性能自身是研发地效飞行器所必须进行的科学实验、数据收集和分析过程，这些地效性能是基于物理原理的客观规律表现，并非本发明所特别需要的人为活动。

翼-涡距离和翼下空速这两个操控参数的效果不仅存在可视性，且存在着温场和压场的特殊变化，这是用以测量的基础。翼-涡距离和翼下空速探测器利用图像识别技术进行测量。通过图像识别技术来完成精确的距离和速度测量自身是当代图像识别技术领域的一种典型应用。翼梢端面处的上绕涡流和翼下的“气垫”效果在水面上体现的可视化形式是翻卷的水汽，同时，力学作用也必然造成温场和压场的变化。典型地，用于本发明所需的距离和速度探测器可以通过全息摄影、视频摄像、毫米波、红外和激光探测等技术手段，结合具体的可视化设计手段来实现。也可以结合地效飞行器的总体设计构思，利用各类机电式的位移感受装置，例如角位移传感器，实现翼-涡距离和翼下空速这两个参数的测量。全息摄影普遍应用于研究火箭高速飞行时的冲击波，视频摄像和红外传感器技术已经应用于大型民用飞机的起飞和着陆阶段的视景增强，加上计算机处理平台和数据库技术，国际市场上不仅有了合成视景***产品，还建立了业界的适航标准。因此，采集和处理的技术手段是多种多样的，是成熟的。

误差控制及算法模块是一种用于校准采集原始数据的解算模块，通常，误差控制及算法模块包括翼-涡距离和翼下空速探测器安装位置的几何数据修正计算，也包括实测偏差，诸如地效飞行器在不同载重和运行环境条件下翼-涡距离和翼下空速的实际值数据，由此可以通过“数学模型+实测偏差修正”这一工程常用方式，提供精确而便捷的测量数据输出。

处理平台是一种计算机处理平台，也可以是低成本的运算器芯片形式，它们的内部使用应用软件，完成基于IGE和OGE两个地效性能的阶段对应的飞行高度和速度选择、操作控制以及自动化的监控。这种应用软件是多种多样的，例如，通过距离和速度探测器所探测并修正过的原始数据，应用软件可以分析和比较地效性能数据库的设计数据，得出所需飞行性能与距离和速度之间的对应数值。例如，翼-涡距离的增加体现在附加升力的增加；从而可以导出，在同等升力或者说同等载重条件下，可以减少的发动机的功率输出。换言之，这就是更加节省燃油的飞行高度或者速度。为了便于工程实用，这些逻辑关系可以表述为一种实测数据与地效性能数据库的数据比值。无论是翼-涡距离，还是翼下空速，当这个比值为“1”时，即可表征地效飞行器已经达到最大地效性能，而小于或者大于这个比值时，分别表征需要调节的控制量变化要求；继而，通过监控这个比值与数值“1”的变化趋势，得出调节控制的参数变化的操作方向。本发明提出的一种比值方法是，将设计值作为比值的分母，将实测值作为分子，这样的比值变化较为符合人的心理***台的应用软件中，典型地还可以包括方便驾驶员操作的地效飞行高度与飞行速度之间的对应转换计算，指示输出和告警功能算法，以便为视频指示和音频告警装置提供所需要的指示和告警信息输入。在这个基础上，处理平台就可以通过应用软件，例如地效飞行管理模块，为地效飞行器提供飞行高度和飞行速度的操控调节值，特别地，设计一种自动化平衡功能，即通过实时监控，比较和自动化补偿左右机翼的地效性能，可以较明显地减少地效飞行器的波动和震荡，增强了飞行轨迹的稳定性，增强地效飞行器的实用价值，改进乘员舒适性。在地效性能数据库具有完整的地效飞行器性能和发动机数据的情况下，地效飞行管理模块不仅可以提供所需的地效飞行高度和速度值计算和输出，还可以与飞行控制装置交联，实现地效飞行器的自动化飞行管理任务。典型地，算法的核心能力体现在精确操控IGE和OGE两个地效性能的阶段，使利用本发明技术方案的地效飞行器可以充分发挥地效性能，自动化地保持地效飞行器的飞行轨迹的稳定性和均衡性，具有实用性和竞争性。

视频指示装置可以采用常规的电子显示器，视频指示装置根据处理平台提供的解算信息来完成地效飞行的最大高度、最小高度和飞行速度数据的指示功能。

音频告警装置包括扬声器和驾驶员耳机，音频告警装置根据处理平台提供的告警信息来完成地效飞行的高度和速度数据告警功能。电子显示器提供的图形指示信息包括基于图形传感器采集的原始数据、由计算机模拟的地平线或水平面显示。这个视频形象的地平线可以准确、有效地弥补驾驶员超低空飞行时的肉眼观察地平线的效果，包括实际地形或水浪的高度轮廓，增强了飞行安全。

飞行控制装置根据处理平台提供的自动调节和控制的动态指令，实现自动化的跟随控制，保障地效飞行器按照预定性能飞行。

本发明利用了一系列的科学原理，首先，提出利用地效飞行的力学原理来操控地效飞行的运行，而不是简单地沿用航空器的飞行高度和空速概念进行操控的技术方案。即通过技术手段自动识别翼-涡距离，以及自动识别翼下空速这两个典型的地效特征性性能，由此提出地效飞行器操控技术的一种新的解决方案；其次，通过建立实测值与地效性能数据的比值这种工程方式，有效而方便地解决了直接针对IGE和OGE两个地效性能阶段的操控。第三，通过对左翼-涡距和右翼-涡距等子参数的应用，增强了地效飞行器的飞行稳定性，增加了地效飞行器的实用价值，改进了乘员舒适性。在解决问题的思路上，不同于现有的地效飞行器借助航空高度表和航空速度表、并通过简单测量飞行高度和飞行速度，间接地控制地效飞行的传统思维、科学原理和技术方案。换言之，本发明变革了现有的地效飞行控制要素，使地效飞行器的运行操作更安全，更实用。技术方案的这一变革，有效弥补了现有航空高度表和速度表在地效飞行器上的应用精度过差的长期困扰，有效地解决了现有地效飞行器这一新技术领域中的特殊问题。即通过技术手段的改变，为解决现有问题提供了一种新的技术方案。利用本发明所述的测量翼-涡距离，以及翼下空速这两个参数来控制地效飞行器的运行操作，在具体手段上采用了图形识别技术，有效解决了地效飞行器超低空贴地飞行时的精确测量需求，在实现途径上不同于地效飞行器业界现有的、沿用航空界的飞行高度和空速控制方式。本发明提出操控翼-涡距离，以及翼下空速这两个参数的方式是直接测量地效性能和效果，从技术原理上是：测量和判断地效气动力性能是否满足地效飞行需求。这种直接满足地效飞行器运行操控的方法改变了业界现有的、通过沿用航空飞行的测量地表高度和飞行速度的来推断地效性能的、间接获得地效性能的需求。本发明创新的技术重点是：提出了两个直接控制地效飞行器运行的操控参数，本发明利用实测数据与理论数据的比值作为操控解算和判据。同时，地效飞行器自身的地效性能计算、利用图像识别技术完成参数测量、通过电子装置实现识别、计算、指示和告警等技术，在他们各自的技术领域里，是成熟的，是这些领域的技术人员普遍知晓的。

如图5所示，在地效飞行器的左右机翼的翼梢端面外侧和下方各装备一套图形识别传感器（星状符号示意），称之为翼梢传感器。其中，外侧传感器识别和探测翼-涡距离，下方传感器识别和探测翼下空速；在飞行器的头部，配置一套有一定前倾角、从而具有一定前视功能的图形识别传感器，称之为头部传感器，它识别前方地平线轮廓，以及探测飞行器头部位置的空速数据。这些图形识别传感器自身可以使用现有的测量传感器手段，包括各类基于计算机控制的全息摄影、视频摄像、毫米波、红外、激光或者COMS图像测量传感器等技术手段，结合具体的可视化设计手段来实现。经费充裕时，也可将不同种类的图形传感器组合起来，发挥各自的性能优势，构成适合地效飞行器专用的测量传感器这一产品形式。

本发明提出的一种翼-涡距离实测数值与理论最大值的比值公式如下式（1）：

操控参数H_MAX=实测数值/理论最大值  …………式（1）

本发明提出的一种翼下空速的实测数值与邻近气流流速数值的比值公式如下式（2）：

操控参数H_MIN=翼下空速/邻近气流流速  …………式（2）

地效效应在飞行器运行时生成，而可用的地效性能需要达到一定速度后才能产生，即翼梢处上绕涡流开始与翼梢端面产生分离。由翼梢外侧传感器采集这个距离变化的数据。

翼梢下方的传感器采集翼下气流的流速数据，作为翼下空速数据。

头部传感器采集头部位置的气流流速，作为计算H_MIN所需的邻近气流流速的数值，头部传感器还要探测前方地形轮廓，为识别和回避前方障碍提供视觉识别和告警的信息输入。

计算平台利用翼梢传感器测得的翼-涡距离实测数据，与地效性能数据库的理论最大数据值进行比较，即得到操控参数H_MAX。在图6中，数字1为机翼的示意，数字2为翼-涡直线距离的变化示意；数字3为翼-涡直线距离的测量示意，最外侧的距离即为最大距离。

在发动机功率持续增加时，操控参数H_MAX的比值由小到大，也就是表征了IGE这一过程。当达到一个所设计的比值时，地效飞行器即可脱离地面，腾空飞行。这一点可以定为起飞离地速度，由此推导出起飞离地距离；如果发动机功率持续增加，操控参数H_MAX的比值继续增加，比值达到1时，达到最大地效飞行的高度，以及对应的飞行速度。

无论发动机功率进一步增加，还是从此减少，操控参数H_MAX的比值都会向小1的方向变化，地效性能从此开始衰退。进而，操控参数H_MAX的比值下降意味着地效性能所提供的附加升力在下降，这就精确地表征了OGE过程。直到操控参数H_MAX的比值减少到一个特定设计值时，可以认为地效性能基本丧失，这一点如果是发动机功率减少所致，所对应的飞行速度为着陆的速度值；这一点如是发动机功率持续增加所致，所对应的飞行速度即可用于判断OGE阶段结束，地效飞行器需要完全依赖自身的飞行性能实现腾空飞行。

计算平台利用翼梢端面向下方安装的传感器测得的翼下空速，与头部传感器测得的气流流速比较，即操控参数H_MIN的比值。操控参数H_MIN的比值趋向于变小时，表征为IGE过程。H_MIN比值达到最小时，即认为翼下气流的流速最小，“气垫”效应最大。对应地，得到地效飞行的最低高度，以及相应的飞行速度。

相反，操控参数H_MIN的比值趋向于增加时，“气垫”效应在减小，表征为OGE过程。操控参数H_MIN的比值接近于1时，可以认为“气垫”效应基本消失。此时对应的高度和飞行速度可作为地效飞行器脱离地效“气垫”效应时的控制参数。

可见，通过H_MAX和H_MIN这两个参数控制，我们得到了地效飞行器利用地效飞行时的最大飞行高度和最小飞行高度。在最大与最小飞行高度范围内，我们得到了地效飞行器利用地效飞行的实用高度范围。H_MAX和H_MIN这两个参数的变化趋势直截了当地表征了地效飞行的IGE和OGE这两个地效性能的表现，实现了地效飞行性能的精确判断。地效作用与飞行速度直接相关。如果高度不变，通过速度变化来获得相应的地效性能变化。

为了方便驾驶员的监控和操作，我们可以列出地效飞行的飞行高度与飞行速度组合数据表；通过这种组合表，我们可以导出对应的发动机功率关系。

本发明提出的一种典型的H_MAX、高度、速度和发动机功率的飞行实用数据系列组合如表1所示。

表1H_MAX、高度、速度和发动机功率数据组合表

类似地，我们可以得到一种典型的H_MIN、高度、速度和发动机功率的飞行实用数据系列组合，如表2所示。

表2H_MIN、高度、速度和发动机功率数据组合表

这些组合表的直接影响因素包括地效飞行器的飞行总重和大气温度。因此，组合表应根据地效飞行器的不同的飞行总重和不同的大气温度列出。这样我们就可以得到覆盖了地效飞行的飞行包线的性能数据表格，不再一一罗列。

这种覆盖了地效飞行的飞行包线的性能数据表格可作为纸质文件即《地效飞行器驾驶员操作手册》的组成部分，也可作为性能数据，存放在地效飞行管理***的数据库内，供地效飞行管理***计算地效性能、显示和监控告警等功能所用。

基于上述两个操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的应用原则，处理平台的地效飞行管理程序通过对操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的管理，自动规划和保障“最大地效飞行高度”的飞行管理任务，这个高度是地效飞行的高度上限；以及规划和保障“最大气垫效应飞行高度”的飞行管理任务，这个高度是地效飞行的高度下限。

进而，我们可以将上述两个操控参数H_MAX和参数H_MIN比值做成飞行高度和速度的函数方程，并将他们关联起来。由此我们得到了这两个操控参数之间的相互关系，以便实际飞行操作使用。例如，这两个函数方程的共解表现为这两条函数曲线的交点，它的物理意义是在这两个操控参数H_MAX和参数H_MIN比值之间，建立了地效性能操控的均衡点和稳定点。

根据具体飞行任务的使命要求，飞行管理程序进行飞行任务的规划，将地效飞行器的飞行高度保持在这两个高度限制值的任意一处，或是这两个限制值之间的任一高度。一种用于说明目的的、简化后的数据表格如表3所示。这些高度与速度的一一对应的数值区间，就构成了地效飞行的运行范围。

表3  基于H_MAX数值控制的飞行高度和飞行速度运行数据

高度ft\空速kt	45	123	158	-	-	-
								HMAX＝0.2	110	146	159	-	-
	0.50	HMAX＝0.4	133	153	-	-
							-	-	1.10	HMAX＝0.6	148	176	-
-	-	1.25	3.10	HMAX＝0.8	162	-
							-	-	-	3.72	8.50	HMAX＝1.0	185
-	-	-	4.25	11.5	20.1	HMAX＝1.2
							-	-	-	-	13.4	25.6	35.6
-	-	-	-	-	-	-

任一操控参数H_MAX或者H_MIN的具体比值数值，可分别由控制飞行高度或者飞行速度来实现，因此，对于自动化操控的控制逻辑而言，就此导出基于飞行高度或者飞行速度的控制逻辑的函数关系；飞行高度或者飞行速度继而一一关联到相应的发动机功率数值，由此得到所需发动机功率的数值。

由此，通过对操控参数H_MAX的比值管理，还可以实现地效飞行器的腾空或者接地时的速度精确控制；同理，通过对操控参数H_MIN比值的比值管理，实现地效飞行器的最大“气垫”效果的自动控制，在工程实践上，可以通过上述同类数表来表达其控制变量之间的关系。

无论是地效飞行器在人工驾驶状态，还是通过本发明所述的地效飞行管理***进行自动驾驶状态，计算处理平台都可以利用操控参数H_MAX和参数H_MIN比值对地效飞行性能进行有效的操控。在人工驾驶状态下，一旦出现较大的性能偏差，则***自动提出告警；在地效飞行管理***自动飞行时，***根据监测回路的反馈信息完成自动校正。

典型地，通过电子显示器来形象化地显示操控参数H_MAX和参数H_MIN比值，以便驾驶员根据显示进行操作，或者在由地效飞行管理***自动化飞行时，驾驶员可以方便地监督***性能表现。图7仅仅给出了地效性能图形化显示控制的一种显示画面设计方案。图7中，数字11所示的是飞机符号，数字12所示的是位于左右翼下的“气垫”性能指示器，数字13所示的是位于左右机翼两侧的附加升力（翼-涡距离）指示器。“气垫”性能指示器和附加升力指示器用以指示左右两侧的实际地效性能效果，并利用楔形形状的方向变化，动态地表示操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的变化趋势，也就是鲜明地表征出IGE和OGE性能。数字刻度窗口14可以分别表示操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的操作量，或者是设定量。驾驶员也可以根据自己的偏好，选择显示与操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的操作量所对应的飞行高度和速度数据。

附加地，电子显示器使用头部传感器采集到的前方地形轮廓信息，为识别和回避前方障碍提供视觉识别和告警的信息显示，例如，前方地平线及障碍物的实况显示即数字15。

在具有自动化飞行控制装置的地效飞行器上，地效飞行管理***可设计一种自动平衡功能，即自动监控左右机翼所生成的操控参数H_MAX和参数H_MIN比值的差值，并进行自动化补偿。于是，实际飞行的飞行轨迹更加平稳，有效改进乘员舒适性，有助于地效飞行器的推广和应用。

上述实施例不作为对本发明的限定，凡在本发明的范围内所作的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种地效飞行器的地效飞行管理***，其特征在于，其包括地效性能数据库、翼-涡距离和翼下空速探测器、误差控制及算法模块、处理平台、视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置，翼-涡距离和翼下空速探测器与地效性能数据库连接，地效性能数据库还与误差控制及算法模块、处理平台连接，视频指示装置、音频告警装置、飞行控制装置与处理平台连接；地效性能数据库存储所设计的地效飞行器的翼-涡距离的最大值数据，翼-涡距离和翼下空速探测器利用图像识别技术进行测量，误差控制及算法模块包括翼-涡距离和翼下空速探测器安装位置的几何数据修正计算，处理平台完成飞行高度和速度选择、操作控制以及自动化的监控，视频指示装置根据处理平台提供的解算信息来完成地效飞行的最大高度、最小高度和飞行速度数据的指示功能，音频告警装置根据处理平台提供的告警信息来完成地效飞行的高度和速度数据告警功能，飞行控制装置根据处理平台提供的自动调节和控制的动态指令，实现自动化的跟随控制。

2.根据权利要求1所述的地效飞行器的地效飞行管理***，其特征在于，所述地效飞行器的左右机翼的翼梢端面外侧和下方各装备一套图形识别传感器。

3.根据权利要求1所述的地效飞行器的地效飞行管理***，其特征在于，所述处理平台是一种计算机处理平台。