基于XML的飛行仿真氣動力模型存儲格式

宋宏川，詹浩，魏中成，任浩雷，夏露

1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072 2. 中國航空工業(yè)集團公司成都飛機設(shè)計研究所，成都 610091 3. 西安地平線電子科技有限公司，西安 710072

飛行仿真是以飛行器的運動情況為研究對象，面向復(fù)雜系統(tǒng)的仿真。它首先按照飛行器運動學(xué)、動力學(xué)、空氣動力學(xué)以及飛行控制原理等有關(guān)理論建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，然后以這些模型作為依托進行模擬試驗與分析研究[1]。

飛行仿真通過空氣動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型(簡稱氣動力模型)計算飛機的氣動力和力矩，飛機氣動力/力矩決定了飛機的飛行性能、操縱性和穩(wěn)定性，直接影響到飛行仿真器的質(zhì)量認(rèn)定。因而，氣動力模型可能是飛行仿真系統(tǒng)中最重要的數(shù)學(xué)模型[2]。

一般來說，氣動力和力矩是狀態(tài)變量V、α、β、p、q、r和控制變量δ的泛函，可以表示為

FA=FA(V(τ),α(τ),β(τ),p(τ),q(τ),

r(τ),δ(τ)) -∞<τ≤t

(1)

式中：V表示飛行速度；α表示飛機迎角；β表示飛機側(cè)滑角；p、q、r分別表示繞機體坐標(biāo)軸系x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角速度；δ表示飛機控制輸入。常規(guī)氣動布局的飛機δ包括升降舵δe、副翼δa和方向舵δr[3]。氣動力不僅依賴于瞬時飛行狀態(tài)的值還和其運動歷程相關(guān)[4]。

實際應(yīng)用使用的絕大多數(shù)都是基于準(zhǔn)定常流動假設(shè)下的氣動力數(shù)學(xué)模型。準(zhǔn)定常流動假設(shè)下的氣動力模型，忽略飛行狀態(tài)時間歷程對氣動力/力矩的影響，氣動力/力矩被表示成瞬時飛行狀態(tài)變量的非線性函數(shù)，氣動力數(shù)學(xué)模型一般采用滿足相似律的無量綱氣動力/力矩系數(shù)表示：

(2)

(3)

為了保證仿真實時性，飛行仿真器使用的程序語言基本是編譯型程序語言(Fortran、C、C++和Ada等[5])，因此一旦修改程序就需要重新編譯、鏈接、調(diào)試和測試程序。

然而不同氣動布局的飛機，氣動力模型一般不相同，使用飛行仿真器仿真不同氣動布局的飛機，需要更換氣動力模型。

此外，現(xiàn)代飛行器的方案論證、技術(shù)指標(biāo)確定、設(shè)計分析、生產(chǎn)制造、試驗測試、維護訓(xùn)練和故障處理等各個階段都需要飛行仿真對飛行器進行全面的系統(tǒng)分析和評估[1]。在飛行器研制、生產(chǎn)和使用的各個階段，飛行器氣動力數(shù)學(xué)模型的來源包括氣動估算、數(shù)值計算、風(fēng)洞試驗、系統(tǒng)辨識等[6]。在整個飛行器的生命周期內(nèi)，除了氣動力模型的來源不同外，由于飛機的研制、生產(chǎn)和使用是一個反復(fù)迭代的過程，為了讓飛行仿真更加逼近飛機真實的性能和品質(zhì)，需要基于不同來源的氣動特性數(shù)據(jù)不斷修正飛機的氣動力數(shù)學(xué)模型。因此即使對同一型號的飛機進行仿真，飛行仿真器也需要頻繁地修改和完善氣動力數(shù)學(xué)模型。

飛行仿真系統(tǒng)的傳統(tǒng)氣動力/力矩求解方法把氣動力數(shù)學(xué)模型(式(2))硬編碼在氣動力解算程序中進行求解，隨著現(xiàn)代飛行仿真氣動力模型的更換和修改變得越來越頻繁，為了適應(yīng)不同的氣動力模型必須頻繁地修改解算程序。因此傳統(tǒng)方法在更換和修改氣動模型時，過程繁瑣、花費時間長、重復(fù)工作量大而且通用性低。綜上所述，飛行仿真中傳統(tǒng)的氣動力/力矩解算方法逐漸無法滿足現(xiàn)代飛行仿真頻繁更換和修改氣動力模型的需求。

本文提出氣動力模型樹的概念，用樹形結(jié)構(gòu)和節(jié)點的存儲信息完整地描述氣動力模型，并基于可擴展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language，XML)設(shè)計了一種模型存儲格式(Model Based on XML，MBX)來存儲氣動力模型樹。探討了MBX存儲格式作為氣動力模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的可能性以及MBX作為氣動力模型交換標(biāo)準(zhǔn)對飛機研制、生產(chǎn)和使用的影響。

1 飛行仿真中的氣動力模型

建立氣動力數(shù)學(xué)模型的方法主要有氣動估算、計算流體力學(xué)(Computation Fluid Dynamic，CFD)、風(fēng)洞試驗和飛機系統(tǒng)辨識等[5]。飛行仿真根據(jù)上述方法提供的氣動力數(shù)學(xué)模型計算氣動力和力矩，仿真飛機的性能、操縱性和穩(wěn)定性。飛行仿真中常用的典型氣動力數(shù)學(xué)模型如下所述。

1.1 氣動導(dǎo)數(shù)表示的氣動力模型

1911年Bryan提出的線性氣動力模型，也稱經(jīng)典氣動導(dǎo)數(shù)模型，它是在準(zhǔn)定常假設(shè)下，將飛機的無量綱氣動力/力矩系數(shù)表示成瞬時飛行狀態(tài)變量的線性函數(shù)。經(jīng)典氣動導(dǎo)數(shù)模型一直是飛機操縱性、穩(wěn)定性分析和制定飛行品質(zhì)的基礎(chǔ)[7]，也是在飛行仿真中應(yīng)用最廣泛的氣動力模型之一。

俯仰力矩系數(shù)的經(jīng)典氣動導(dǎo)數(shù)模型可以表示為

(4)

(5)

1.2 Digital Datcom的氣動力模型

Digital Datcom(Data Compendium)計算程序是美國空軍飛行力學(xué)實驗室與麥道公司合作開發(fā)的適用于在飛機方案設(shè)計和初始設(shè)計階段估算飛機氣動特性的氣動估算軟件[9-11]。

Digital Datcom在每個輸入文件設(shè)定的馬赫數(shù)下，輸出的氣動力/力矩系數(shù)模型包括縱向靜穩(wěn)定性系數(shù)和縱向/橫航向靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)、動穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)、增升和控制輸入引起的增量氣動系數(shù)等[11]。Digital Datcom輸出的俯仰力矩系數(shù)模型為

(6)

式中：Cmstatic表示俯仰靜穩(wěn)定性系數(shù)，在Digital Datcom中通常是關(guān)于迎角的一維表格；ΔCm(δ)表示縱向控制舵面偏轉(zhuǎn)引起的俯仰力矩系數(shù)增量，是關(guān)于縱向控制舵面的一維表格[11]。

1.3 氣動系數(shù)表示的氣動力模型

風(fēng)洞試驗和CFD提供的氣動特性數(shù)據(jù)，通常是以數(shù)據(jù)表的形式表示氣動力的數(shù)學(xué)模型。一種典型的俯仰力矩系數(shù)的氣動系數(shù)模型為

Cm=Cm(Ma,α,δe)

(7)

式中：Ma表示飛行馬赫數(shù)；Cm(Ma,α,δe)表示當(dāng)前飛行狀態(tài)和控制輸入下的俯仰力矩系數(shù)，它是關(guān)于Ma、α和δe的三維表。

1.4 飛機辨識領(lǐng)域中的非線性氣動力模型

在飛行器辨識領(lǐng)域最常使用的非線性氣動力模型有多項式模型和樣條函數(shù)模型，以俯仰力矩系數(shù)為例，說明兩種非線性模型的表達(dá)式。

俯仰力矩系數(shù)的多項式模型[3,8]為

Cm=Cm0+Cmαα+Cmα2α2+Cmα3α3+

(8)

式中：Cmα2是俯仰力矩系數(shù)對α2的氣動導(dǎo)數(shù)；Cmα3是俯仰力矩系數(shù)對α3的氣動導(dǎo)數(shù)。

樣條函數(shù)俯仰力矩系數(shù)模型為

(9)

式中：Cm0(α)是關(guān)于α的三次樣條函數(shù)[3]。

1.5 氣動導(dǎo)數(shù)與系數(shù)混合表示的氣動力模型

氣動導(dǎo)數(shù)和氣動系數(shù)混合表示的氣動力模型也是飛行仿真中最為常見的氣動力模型之一。一種氣動系數(shù)和氣動導(dǎo)數(shù)模型混合表示的俯仰力矩系數(shù)模型為

(10)

2 氣動力/力矩的傳統(tǒng)求解方法

飛行仿真中氣動力/力矩的傳統(tǒng)求解方法把氣動力模型硬編碼在求解程序中，這會造成當(dāng)需要更換上述不同的氣動力模型時，必須修改求解程序。以Digital Datcom估算方法建立的氣動力模型(式(6)和表1)為例，說明氣動力/力矩求解的傳統(tǒng)方法以及其弊端。

飛機的俯仰力矩M與無量綱俯仰力矩系數(shù)Cm的關(guān)系可表示為

M=QScACm

(11)

式中：Q表示動壓；S表示飛機參考面積。

1.initialize geometrical parameters of aircraft2.get inputs of aerodynamic force subsystem3.Cm_static←looking up table of CM from digital datcom’s output4.Cmq←value of CMQ5.q_bar←q*cA/2/V6.Cmad←value of CMAD7.ad_bar←ad*cA/2/V8.dCm←looking up table of DCM from digital datcom’s output9.Cm←Cm_static+Cmq*q_bar+Cmad*ad_bar+dCm10.M←Q*S*cA*Cm

上述步驟中，第3～10步都與具體氣動力模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式有關(guān)，數(shù)學(xué)表達(dá)式和表達(dá)式中各項求解方式被硬編碼在求解程序中。如果需要更換氣動力模型，上述求解步驟中的第3～10步都需要重新編寫。在實際的飛機設(shè)計、生產(chǎn)和使用過程中，為了獲得準(zhǔn)確的飛機氣動特性，氣動力模型需要在不同方法得到氣動特性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行不斷的修正和優(yōu)化。飛行仿真通過修改程序更換氣動力模型的傳統(tǒng)方法，要求飛行動力學(xué)研究人員在更換氣動力模型時，進行大量的開發(fā)工作。因此飛行仿真求解氣動力/力矩的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代飛行仿真頻繁修改氣動力模型以及氣動力求解通用性的需求。

表1 Digital Datcom的氣動估算數(shù)據(jù)[11]Table 1 Aerodynamic estimation data from Digital Datcom[11]

3 氣動力模型樹

為了避免硬編碼求解氣動力模型的弊端，提高氣動力/力矩求解的通用性，飛行動力學(xué)研究人員期望飛機的氣動力模型能夠與求解程序分離開，氣動力模型能夠像氣動數(shù)據(jù)一樣在文件中存儲。仿真程序在不需要修改代碼的情況下，通過讀取、解析不同的氣動力模型存儲文件來求解不同的氣動力模型。

3.1 氣動力模型的樹形結(jié)構(gòu)

飛行仿真中求解氣動力的傳統(tǒng)方法，是對氣動力數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)表達(dá)式的每一項進行求解，再按照表達(dá)式各項之間的運算關(guān)系，最終求解氣動力。氣動力模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式和各項對應(yīng)的各個變量，在傳統(tǒng)方法的求解程序中是孤立的，只是按照程序的順序結(jié)構(gòu)進行求解。然而，氣動力數(shù)學(xué)模型中的數(shù)學(xué)表達(dá)式之間以及表達(dá)式各項之間是存在聯(lián)系的。

式(11)的樹形結(jié)構(gòu)如圖1所示，表示動壓Q、飛機參考面積S、平均氣動弦長cA和俯仰力矩系數(shù)Cm是俯仰力矩M的數(shù)學(xué)表達(dá)式中的項。

圖1 樹形結(jié)構(gòu)表示的俯仰力矩Fig.1 Pitch moment represented by tree structure

3.2 節(jié)點存儲的求解信息

圖2 俯仰力矩的氣動力模型樹Fig.2 Aerodynamic model tree of pitch moment

3.3 基于氣動力模型樹的求解器MbxSolver

傳統(tǒng)求解方法中的氣動力模型是根據(jù)求解程序以線性順序結(jié)構(gòu)描述氣動力模型的氣動系數(shù)、氣動導(dǎo)數(shù)、飛機參考量、飛行狀態(tài)、控制輸入和氣動數(shù)據(jù)表的關(guān)系，依賴于求解程序的順序。氣動力模型樹用樹形結(jié)構(gòu)描述它們之間的層次關(guān)系，并用節(jié)點存儲的內(nèi)容描述了它們之間的運算關(guān)系和求解信息，這使得氣動力模型不再依賴于求解程序，能夠以氣動力模型樹的形式單獨進行存儲，實現(xiàn)了氣動力模型與求解程序的分離。

飛行仿真中傳統(tǒng)氣動力/力矩求解程序無法求解上述的氣動力模型樹，所以本文專門編寫MbxSolver求解器求解以MBX存儲格式存儲的氣動力模型樹。與傳統(tǒng)方法相比，氣動力模型不再被硬編碼在程序中，而是通過加載以MBX存儲格式存儲的氣動力模型樹，解析氣動力模型樹，并最終求解氣動力/力矩。

因此使用基于MBX存儲格式的求解氣動力方法后，更換或修改氣動力模型，只需要更換或修改程序外部存儲氣動力模型樹的文件，不用修改程序，避免了重新編譯、鏈接、調(diào)試和測試程序的繁瑣過程。

4 MBX存儲格式設(shè)計

4.1 氣動力模型樹與XML

XML從標(biāo)準(zhǔn)通用表示語言SGML(Standard Generalized Markup Language)中派生而來，是W3C(萬維網(wǎng)委員會)設(shè)計的可以記錄、傳輸和理解多種數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式[13-15]。XML文檔自身就是樹形結(jié)構(gòu)，與氣動力模型樹的樹形結(jié)構(gòu)完美契合。XML實質(zhì)上是一種定義語言，它允許開發(fā)者通過自定義元素(Elements)、標(biāo)簽(Tags)和屬性(Attributes)進行自我描述并創(chuàng)建符合XML語法規(guī)則的語言標(biāo)準(zhǔn)[16]。氣動力模型樹節(jié)點存儲的求解信息可以通過自定義元素、標(biāo)簽和屬性來設(shè)計存儲格式，最后形成語言標(biāo)準(zhǔn)。很多學(xué)科和行業(yè)都基于XML設(shè)計存儲格式制定了數(shù)據(jù)的交換和共享標(biāo)準(zhǔn)[17]。

4.2 氣動力模型樹節(jié)點的存儲格式

氣動力模型數(shù)學(xué)表達(dá)式中的項在氣動力模型樹中用節(jié)點表示，氣動力模型樹的各個節(jié)點對應(yīng)MbxSolver程序中的變量，用來計算氣動力/力矩。數(shù)學(xué)表達(dá)式的項、氣動力模型樹的節(jié)點和MbxSolver中的變量存在一一映射的關(guān)系。節(jié)點是樹形結(jié)構(gòu)的基本單位，節(jié)點的存儲格式既要能描述自身存儲的求解必要信息，還要能描述和其他節(jié)點之間的樹形結(jié)構(gòu)。

通過對典型氣動力模型的求解方式的總結(jié)歸納，氣動力模型樹的節(jié)點根據(jù)求解方式可以分為4種，分別是常量(Const)、查表(Lookup)、公式(Eq)和輸入(Input)。不同節(jié)點類型所需要的求解信息也不一樣。MBX存儲格式用Cell元素來存儲氣動力模型樹的節(jié)點，Cell元素具有name、type和content等屬性，分別表示Cell元素的名稱、類型和求解信息。name屬性表示節(jié)點名稱，作為Cell元素的唯一標(biāo)識；type屬性表示節(jié)點的類型；content屬性表示求解此節(jié)點所需的求解信息。

MbxSolver讀取氣動模型樹常量節(jié)點對應(yīng)的數(shù)值就可以完成對常量節(jié)點的求解，飛機的參考量如平均氣動弦長cA和飛機參考面積S等都屬于常量節(jié)點。常量類型節(jié)點存儲的求解信息就是它表示物理量對應(yīng)的數(shù)值。常量節(jié)點——飛機平均氣動弦長cA在XML中存儲格式如圖3所示。

飛機氣動模型樹的查表節(jié)點表明此節(jié)點需要查找對應(yīng)的氣動數(shù)據(jù)表在當(dāng)前飛行狀態(tài)和控制輸入下插值求解。它求解需要的信息是查表節(jié)點對應(yīng)的整個氣動數(shù)據(jù)表。如果把整個氣動數(shù)據(jù)表都作為存儲的求解信息，會造成氣動力模型樹在XML文件中篇幅臃腫，不利于使用者閱讀、編輯氣動力模型和表格的復(fù)用。MBX存儲格式統(tǒng)一存儲氣動數(shù)據(jù)表，查表節(jié)點的求解信息簡化為對應(yīng)數(shù)據(jù)表的名稱。MbxSolver在求解查表節(jié)點時，它通過查表節(jié)點存儲的氣動數(shù)據(jù)表名稱，查詢到相應(yīng)的氣動數(shù)據(jù)表，然后插值求解。查表節(jié)點和氣動數(shù)據(jù)表的存儲設(shè)計不僅可以顯著減少氣動力模型樹在XML文件中存儲的大小，還可以最大化的復(fù)用氣動數(shù)據(jù)表。例如不同查表節(jié)點存儲相同的數(shù)據(jù)表名稱，表示不同節(jié)點都使用同一數(shù)據(jù)表進行插值，但是氣動數(shù)據(jù)表在XML文件中只需要被存儲一次。式(6)中俯仰靜穩(wěn)定系數(shù)Cmstatic查表節(jié)點在XML中存儲的格式如圖4(氣動數(shù)據(jù)表來自表1)所示。

圖3 常量節(jié)點的MBX存儲格式Fig.3 MBX storage format of constant node

氣動數(shù)據(jù)表的名稱作為氣動數(shù)據(jù)表的唯一標(biāo)識，所以在同一個氣動力模型存儲文件中不能出現(xiàn)同名的氣動數(shù)據(jù)表。

氣動模型樹的公式節(jié)點表明節(jié)點是通過數(shù)學(xué)表達(dá)式計算得到的，公式節(jié)點存儲的求解信息為數(shù)學(xué)表達(dá)式。圖2俯仰力矩系數(shù)Cm節(jié)點是公式節(jié)點，content屬性存儲的是式(6)等式右邊的部分。

圖4 查表節(jié)點的MBX存儲格式Fig.4 MBX storage format of lookup node

氣動模型樹除了具有求解信息的節(jié)點外，還使用樹形結(jié)構(gòu)描述了節(jié)點之間的關(guān)系。所以Cell元素除了具有以上的屬性外，為了描述氣動模型樹的樹形結(jié)構(gòu)，Cell元素可以包含所有類型的Cell子元素。Cell元素的結(jié)構(gòu)見圖6。

圖3～圖5都是單個節(jié)點的存儲，是氣動力模型樹的葉節(jié)點。公式節(jié)點一般都會涉及若干個節(jié)點的運算關(guān)系，以圖2俯仰力矩樹的力矩系數(shù)Cm子樹為例，說明公式節(jié)點以及氣動力模型樹的MBX存儲格式(數(shù)據(jù)來自表1)。

圖7表示在MBX存儲格式中俯仰力矩系數(shù)Cm子樹的樹形結(jié)構(gòu)是通過Cell 元素的樹形結(jié)構(gòu)進行存儲的。根據(jù)圖2表示的氣動力模型樹節(jié)點之間的關(guān)系，Cm數(shù)學(xué)表達(dá)式(式(6))的每一項都是MBX存儲格式中Cm的子節(jié)點。圖7的Cell元素與圖2俯仰力矩系數(shù)Cm子樹的節(jié)點具有一一對應(yīng)的關(guān)系，所以Cm數(shù)學(xué)表達(dá)式的各項對應(yīng)的Cell元素都是Cm元素的子元素。圖2的氣動力模型樹完全可以使用常量、查表、公式、輸入類型的節(jié)點以及它們之間的樹形結(jié)構(gòu)以MBX存儲格式存儲在XML文件中(圖7)。

圖6 Cell元素結(jié)構(gòu)Fig.6 Cell element structure

圖7 俯仰力矩系數(shù)子樹的MBX存儲格式Fig.7 MBX storage format of pitch moment coefficient subtree

4.3 MbxSolver對氣動力模型樹的求解

MbxSolver通過兩步初始化建立氣動力模型樹，再根據(jù)初始化建立的氣動力模型樹和不斷更新的飛行狀態(tài)和控制輸入，求解當(dāng)前的氣動力和氣動力矩。

MbxSolver首先通過XML解析器，先序遍歷[18]以MBX存儲格式存儲的Cell元素樹，在程序中建立Cell元素的樹形結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建相應(yīng)的Cell對象。加載完MBX存儲格式的Cell元素樹后，完成第一步初始化。此時程序中只有氣動力模型樹的樹形結(jié)構(gòu)，并未解析節(jié)點的類型和存儲的求解信息。

然后，MbxSolver先序遍歷構(gòu)建好的Cell元素樹，解析氣動模型樹各個節(jié)點的類型和內(nèi)容，根據(jù)節(jié)點各自的類型與求解信息，構(gòu)建節(jié)點與氣動數(shù)據(jù)表(查表類型節(jié)點)、輸入(輸入類型節(jié)點)和其他節(jié)點(公式類型節(jié)點)之間的關(guān)系，完成第2步初始化。在程序中形成多棵完整的氣動力模型樹。

在仿真計算中，MbxSolver根據(jù)當(dāng)前的飛行狀態(tài)和控制輸入，反復(fù)后序遍歷[18]構(gòu)建好的氣動力模型樹，求解當(dāng)前的氣動力/力矩。

4.4 初步應(yīng)用

飛行仿真求解氣動力/力矩的傳統(tǒng)方法首先要對氣動力模型進行編碼，在飛行仿真運行之前還需要編譯、鏈接、調(diào)試和測試，具體流程如圖8所示。

鑒于XML語言的特點以及其他學(xué)科(化學(xué)的ChemML語言中圖形化的編輯器[19])，研發(fā)了基于MBX存儲格式編輯氣動力模型的圖形化編輯器MbxEditor(如圖9所示)，降低了編輯氣動力模型的難度，提高了工程人員編輯氣動力模型的效率。

仿真程序只需要調(diào)用氣動力求解器MbxSolver加載編輯好的MBX文件，即可求解飛機的氣動力和氣動力矩并進行仿真，不需要針對不同氣動模型編寫相應(yīng)的求解程序。具體流程如圖10 所示。

通過傳統(tǒng)方法與基于MBX存儲格式方法的對比(圖8和圖10)，基于MBX存儲格式建立氣動力模型的流程不涉及到程序的編碼，不要求飛行動力學(xué)研究人員精通相應(yīng)的程序語言，還提供了編輯氣動力模型的圖形化界面，降低了建立、修改和更換氣動力模型的難度；省略了編譯、鏈接、調(diào)試和測試的流程，節(jié)省了建立、修改和更換氣動力模型的時間。因此，MBX存儲格式大幅提高了現(xiàn)代飛行仿真建立、修改和更換氣動力模型的效率。

圖8 飛行仿真中傳統(tǒng)氣動力/力矩求解流程Fig.8 Solution procedure of traditional method for aerodynamic force and moment in flight simulation

圖9 MBX文件的編輯器——MbxEditorFig.9 Editor for MBX files——MbxEditor

圖10 飛行仿真中基于MBX的氣動力/力矩求解流程Fig.10 Solution procedure of MBX method for aerodynamic force and moment in flight simulation

5 氣動力模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

MBX存儲格式除了成功分離氣動力模型與求解程序外，它還能夠作為氣動力模型交換的標(biāo)準(zhǔn)用于氣動力模型交換。不同氣動力模型建立方法得到的氣動力模型表達(dá)形式不同，氣動數(shù)據(jù)存儲格式不同，氣動數(shù)據(jù)存儲的文件格式一般也不同。沒有統(tǒng)一的氣動力模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，使得氣動模型在不同機構(gòu)之間的交換效率非常低下，會造成時間和金錢的浪費。文獻[20]曾經(jīng)做過調(diào)查研究，如果在20個地點的59臺飛行仿真器之間使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)移植高精度的飛行動力學(xué)仿真模型，可以節(jié)省約690萬美元，移植模型花費的時間也會從幾個月/人縮短至一周/人的時間。標(biāo)準(zhǔn)被應(yīng)用的范圍越廣泛，經(jīng)濟效益會越明顯。MBX存儲格式是XML定義的語言標(biāo)準(zhǔn)，XML本身是一種用于數(shù)據(jù)交換的常用語言，許多學(xué)科基于XML制定了各自的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，例如有限元標(biāo)記語言——femML、化學(xué)標(biāo)記語言——ChemML、數(shù)學(xué)標(biāo)記語言——MathML等[19]。MBX存儲格式也能夠作為氣動力模型存儲的標(biāo)準(zhǔn)得以推廣，不同方法得到的氣動力模型都以MBX存儲格式進行存儲，有利于氣動力模型的交換。MBX存儲格式實現(xiàn)了氣動力/力矩求解程序的通用性，標(biāo)準(zhǔn)化了氣動力/力矩的求解。氣動力模型與求解程序解耦之后，氣動力/力矩的求解程序MbxSolver可以被設(shè)計為求解氣動力/力矩的標(biāo)準(zhǔn)程序。飛機性能計算、飛行品質(zhì)分析和飛行仿真軟件可以內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)化的求解程序MbxSolver，計算基于MBX存儲格式的氣動力模型的氣動力/力矩。

當(dāng)MBX存儲格式成為氣動力模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)時，不同方法建立氣動力模型得到的氣動力特性數(shù)據(jù)首先被圖形化的編輯器(MbxEditor)編輯為MBX存儲格式存儲的氣動力模型，在已知其他力/力矩特性的基礎(chǔ)上，內(nèi)置MbxSolver的飛行性能計算軟件和飛行品質(zhì)分析軟件可以計算飛機的飛行性能和飛行品質(zhì)，內(nèi)置MbxSolver的飛行仿真軟件可以用來對飛機進行仿真，如圖11所示。因為上述軟件都是以MBX存儲格式作為氣動力/力矩數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，所以更換或修改氣動力/氣動模型時，只需要通過MbxEditor編輯氣動力模型，不涉及到程序的變化，可以實現(xiàn)快速優(yōu)化和更換氣動力/力矩模型。

圖11 MBX存儲格式作為氣動力模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)Fig.11 MBX storage format as data exchange standard of aerodynamic model

圖11中用于表示CFD計算結(jié)果的圖來自于商用計算流體力學(xué)軟件Fluent。系統(tǒng)辨識下圖中的CIFER是頻率響應(yīng)綜合辨識軟件包，它是解決飛機辨識困難問題的有效工具。目前，CIFER已經(jīng)被廣泛用于固定翼飛機、旋翼機以及UAV項目中[21]。

MBX存儲格式現(xiàn)在已經(jīng)在國內(nèi)研究院所、飛機制造廠商的某些部門進行了應(yīng)用，從實踐的效果來看，MBX存儲格式標(biāo)準(zhǔn)可以加快飛機氣動力模型交換的過程，從幾周/人縮短至幾天/人。同時，它還能夠縮短逼近飛機真實氣動特性的反復(fù)迭代過程，從而提高飛機設(shè)計的效率。

6 結(jié) 論

1) 提出氣動力模型樹的概念并通過MBX存儲格式來實現(xiàn)飛行仿真中氣動力求解程序和具體氣動力模型的分離。更換和修改氣動力模型時，只需要編輯和更換以MBX存儲格式存儲的氣動力模型，不涉及到程序的修改，避免了重新編譯、鏈接、調(diào)試和測試的過程，提高了優(yōu)化和更換氣動模型的效率。

2) 探討了MBX存儲格式作為氣動力模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的可能性，MBX存儲格式如果能成為氣動力模型的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，它可以促進不同氣動力建模方法得到的不同氣動力模型在風(fēng)洞基地、科研院所、大學(xué)實驗室、制造廠商、試飛基地和使用單位的交換與共享。

3) MBX存儲格式提高了氣動力求解的通用性，基于MBX存儲格式開發(fā)了一系列的工具包括圖形化編輯器MbxEditor、通用求解器MbxSolver等。MbxEditor用來編輯保存基于MBX存儲格式的氣動力模型，可以降低編輯不同氣動力模型的難度，提高更換和修改氣動力模型的效率。飛行性能、飛行品質(zhì)和飛行仿真都可以使用標(biāo)準(zhǔn)求解程序MbxSolver對MbxEditor編輯好的氣動力模型進行求解，這可以縮短飛機在設(shè)計和使用中反復(fù)迭代得到準(zhǔn)確氣動力模型的過程。