高速风洞大振幅俯仰动态试验技术研究

在高速大迎角时的动态气动特性是衡量新一代高机动飞行器气动性能的重要参数之一。笔者介绍了在CARDC的FL 21与FL 24高速风洞配套的大振幅俯仰动态失速实验系统。该系统包括:FL 21与FL 24高速风洞大振幅俯仰运动机构;俯仰运动控制系统;数据采集与处理软件系统。该系统可以在高速风洞中真实模拟飞行器大振幅俯仰运动,并测量其相应的非定常气动力的变化,也可以为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。试验研究初步揭示了航天飞机OV102模型高速大迎角俯仰运动的动态气动特性。     

类F-16飞行器风洞虚拟飞行试验研究

为研究高性能战斗机在大迎角机动飞行时复杂的非定常流动现象和运动-控制耦合现象，研制了三自由度风洞虚拟飞行试验系统，开展了类F-16飞行器模型风洞虚拟飞行试验。在小迎角试验中完成模型短周期运动模态模拟和控制律验证，在大迎角试验中测量到俯仰运动失稳现象，在负迎角试验中测量到横航向耦合失稳现象。研究表明:在横航向耦合失稳时，采用副翼增稳滚转通道难以恢复横航向稳定性，且可能发生运动-控制耦合振荡，而通过升降舵机动改变迎角可有效恢复横航向稳定性。     

钝锥动态转捩风洞试验

钝锥飞行器俯仰振动时，非对称边界层转捩区前后移动相对于俯仰角运动的滞后将产生显著的非定常气动效应，导致飞行器俯仰动稳定性降低，严重时甚至会导致运动失稳。将基于气浮轴承的动态试验技术与转捩红外测量技术相结合，建立了钝锥动态转捩风洞试验技术。该技术采用气浮轴承提供俯仰运动自由且阻尼极低的支撑环境，采用红外热像仪实时测量飞行器表面整体转捩状态。开展了9°钝锥标模动态转捩试验，研究模型绕俯仰轴转动时边界层转捩区前后移动的非定常气动作用与飞行器运动的耦合效应。测量试验观察到了动态转捩试验迎角振荡现象，并发现了转捩区前后移动相对于迎角振荡的滞后现象，获得了转捩滞后时间。     

风洞自由飞模型俯仰阻尼导数的提取方法

本文介绍了提取风洞自由飞模型俯仰阻尼导数的一种方法。使用非线性微分方程对模型姿态角进行参数辩识而得到以瞬时角位移表示的俯仰阻尼导数。假定在每个振动周期内模型阻尼变化小,且阻尼导数对称。使用 Kryloff-Bogoliuboff 方法对瞬时阻尼进行平均化处理便给出以角振幅表示的模型俯仰阻尼导数。这种角振幅表示法使模型非线性阻尼导数具有良好的重复性。因此,风洞自由飞模型非线性俯仰阻尼导数表示为角振幅的函数更为合理。而且在实验数据的角振幅变化范围内提供较为可靠的结果。     

尖前缘任意翼型的超音速和高超音速俯仰安定性导数

本文推广了文[1]的欧拉方程摄动法,讨论了尖前缘任意翼型俯仰安定性导数的计算方法,并应用该方法计算了双圆弧翼型的俯仰安定性导数,其数值结果与文[2]的超音速线化位流方程有限差分法的数值结果比较,更接近于实验值。在激波附体的条件下,本文的方法可用于计算大迎角尖前缘任意翼型的超音速和高超音速俯仰安定性导数。     

俯仰-滚转动导数天平装置

本文介绍俯仰-滚转动导数天平装置,着重介绍其运动机构和测量机构。此裝置已经做过三期实验,重点介绍第三期实验用的改进型。装置的特点是 M_z 电桥电气中心、俯仰运动转心、模型气动参考中心和模型质心四心重合。俯仰振动是由步进电机驱动的,通过轴承支撑的模型又能在气动力驱动下自由滚转。俯仰频率和滚转速度被 LDC-825计数器和 B·K 公司转速计记录。模型的俯仰力矩 M_z和俯仰角θ值分别用应变电桥测量。信号被 Neff-720系统和 XR-7000磁带机进行数据采集处理和模拟量记录显示。这是国内第一套成功地用于跨超声速风洞飞机模型实验,四心重合的俯仰-滚转实验装置。力矩 M_z 和俯仰角θ的输出信号是非常满意的,已经为某预研型号提供了(?)导数的测量结果。     

俯仰-滚转耦合两自由度大振幅非定常实验技术

主要介绍了一套用于３ｍ低速风洞的俯仰－滚转两自由度大振幅非定常实验系统。该系统由三大部分组成：俯仰－滚转两自由度的模型动态支撑机构；俯仰－滚转两自由度电控液压系统；数据采集与处理软件系统。该系统可以在风洞中真实模拟飞行器姿态变化，并测量其相应的六分量非定常气动力变化。为飞行器的飞行力学动态性能分析或飞行模拟器提供非定常气动力数据。另外，用三角翼在３ｍ风洞进行了多种运动状态的非定常气动力特性测量，结果真实地反映了大迎角与大滚转角时三角翼的非定常气动特性     

滑流对飞机俯仰静稳定裕量影响及平尾优化研究

螺旋桨飞机的滑流是影响飞机气动性能的重要因素。某飞机初始方案试验数据表明:在起降构型大拉力情况下，该机存在中小迎角俯仰静不稳定现象，严重影响飞机飞行安全。为提高飞机中小迎角俯仰静稳定裕量，通过对飞机气动数据的深入研究，对俯仰静稳定裕量降低的原因进行了分析，结果表明:中小迎角出现俯仰静不稳定的主要原因是迎角变化过程中平尾进出滑流影响区，导致平尾效能出现明显变化。结合飞机布局特点，提出了降低平尾高度的方法，减小动力不利影响。经试验验证，该方法能明显改善飞机中小迎角下俯仰静稳定性，有效扩展飞机小迎角俯仰稳定范围，使其满足总体设计要求。     

俯仰振荡三角翼在非定常自由流中运动的实验

在南京航空航天大学已建成的国内首座非定常风洞内,研制了一套单自由度俯仰振荡实验装置,设计开发了一套对模型姿态和来流风速进行联合控制的软件。对一60°后掠三角翼模型进行了单独俯仰振荡运动和俯仰振荡与自由来流耦合运动的实验。实验结果表明:模型做单独俯仰振荡时,振动频率和振动幅值的影响只有在迟滞环出现后才起作用,而迟滞环的出现是由于翼面上的不同流态对外界扰动的反应时间不同造成的。非定常自由流对做俯仰振荡的三角翼气动特性有很大的影响,模型上仰过程中来流的减速,进一步提高了最大升力系数,推迟了失速迎角;模型下俯过程中来流的加速,则更进一步推迟了升力系数恢复到静态时的值。当翼面上产生破碎涡流时,非定常自由流的作用表现得更为明显。     

任意迎角二维平板的超声速和高超声速俯仰振动导数

应用频率的摄动法,本文得到了任意迎角二维平板机翼的超声速和高超声速俯仰振动导数。该导数是由包括直到缩减频率的五阶项所组成的。数值结果表明高阶项的贡献在较低马赫数或大迎角情况下是很重要的。作为平均迎角趋于零的特殊情况,本文的数值结果与超声速线化的位流理论是一致的,在高超声速情况与活塞理论一致。     

飞行器滚转阻尼导数测量试验技术研究

介绍了中国航天空气动力技术研究院针对滚转阻尼导数试验中不同试验要求，为航空航天飞行器开展的多项滚转阻尼导数风洞试验技术研究。针对不同模型，分别采用一体式弹性铰自由振动试验技术、组合式弹性铰自由振动试验技术和基于气浮轴承的自由滚转试验技术进行了多项试验，对机械阻尼特性、试验频率和抗载荷能力等关键性能进行了综合分析和研究。风洞试验结果表明:合理利用各项试验技术进行试验，试验数据大小合理、规律性好；各试验技术能够满足不同的试验振动频率范围，并且体现出了机械阻尼量级的规律性变化。针对不同飞行器外形进行风洞试验时，应结合试验要求和多方面因素选取合适的试验技术和试验方案。     

载人飞船返回舱的动稳定性

载人飞船返回舱动稳定性的地面模拟试验方法有强迫振动法、有限自由振动法、自由翻滚法和模型自由飞试验法。试验结果表明，在配平攻角区阿波罗返回舱除马赫数Ｍ＜０．７以外，一般都具有俯仰正阻尼特性。双子星座返回舱在配平攻角区，当Ｍ＜２．５时存在俯仰负阻尼特性。钝头气流分离效应、后体气流再附效应、船尾近尾流效应和动态时滞效应等对静、动稳定性都有相反效应。这些效应会使返回舱的静稳定性增加，而使动稳定性降低。角振幅增大会使返回舱的平均俯仰阻尼增加，马赫数增大使俯仰阻尼降低。     

捆绑式运载火箭跨声速气动阻尼特性试验研究

以某带助推的捆绑式运载火箭模型为研究对象，通过试验研究了该带助推的细长体弹性模型在不同马赫数和迎角下的一阶自由-自由弯曲气动阻尼特性和频率变化特性，并采用振型类似、频率降低的模型研究了减缩频率变化对气动阻尼的影响。试验马赫数范围0.70~1.05，试验迎角范围0°~10°。研究表明:迎角对火箭一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼和频率有影响，但规律并不明显；一阶自由-自由弯曲模态的气动阻尼受马赫数影响，并在马赫数0.90附近出现跨声速凹坑现象；一阶模态频率随马赫数增加呈下降趋势，但下降数值较小；减缩频率对气动阻尼有影响，在马赫数0.70~0.90范围内和马赫数1.00之后，气动阻尼随着减缩频率的增加而降低，在马赫数0.92~0.98范围内，气动阻尼随着减缩频率的增加而增加。     

非定常气动力建模研究与虚拟飞行试验验证

非定常气动力建模涉及空气动力学、飞行力学、飞行控制等多个领域,是完善飞机大迎角气动数据库的关键。传统的气动数据库模型为动导数模型,由静态气动力、旋转天平、动导数等数据构成,无法精细表征过失速机动状态下的非定常效应。循环神经网络（RNN）结构是一种处理和预测序列数据的神经网络结构,在人工智能领域运用广泛,与非定常气动力一样都具有时间序列依赖的特点。重点研究了循环神经网络在非定常气动力建模中的应用,利用单自由度俯仰振荡的风洞试验数据进行建模。使用强迫运动试验与虚拟飞行试验2种方法对非定常模型进行验证:在强迫运动试验中,通过直接对比气动力曲线,对具有实战意义的眼镜蛇机动进行了验证;在虚拟飞行试验中,通过对比试验与建模仿真的运动参数曲线,验证了气动力模型的准确性。2种验证方法均表明循环神经网络模型比传统动导数模型更接近试验结果。     

基于风洞试验的非定常空气动力模型识别

在某飞机模型大振幅风洞试验的基础上,分析讨论了单自由度叠加模型、动导数模型、混合模型和非定常模型的适用性.结果表明,单自由度叠加模型、动导数模型和混合模型在小攻角时均是可用的,在大攻角时都不能正确反映飞机的非定常迟滞特性;但与前两种模型相比,混合模型在中等攻角时仍然适用.对于非定常模型,无论在小攻角还是大攻角时,均能较好地反映耦合运动的非定常气动特性.     

80°/65°双三角翼滚转稳定特性预测研究

在 FL-23风洞中开展了80°/65°双三角翼大迎角下的滚转特性研究,包括静态测力试验,动导数试验和自由滚转试验,通过静态测力试验及动导数试验获得了双三角翼模型在大迎角条件下的滚转力矩特性以及动导数特性,从而对双三角翼大迎角条件下的滚转运动特性进行了预测,最后通过自由摇滚试验对预测结果进行了验证。研究结果表明随着模型迎角的增加,双三角翼呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、双周期震荡、准极限环摇滚,通过静态气动力及动导数可以较准确地对模型的运动形态及对应的迎角范围进行预测。     

一种翼身融合布局飞行器的偏离特性分析

为研究某翼身融合布局飞行器的偏离特性，在南京航空航天大学回流式低湍流度开口风洞中进行了飞机模型的大迎角静态测力试验。通过对试验结果的充分挖掘，利用横航向静稳定性判据、侧滑偏离判据、横向控制偏离参数以及Weissman组合判据进行分析，获得了飞机的大致初始偏离迎角和偏离区域，并对飞机的尾旋敏感区进行了预测。同时，利用风洞虚拟飞行试验技术进行三自由度释放验证。结果表明:该翼身融合布局飞行器的横向静稳定性较差，在很小的迎角下就可能出现非指令滚转运动，这也是造成偏离发散的主要原因；而虚拟飞行试验对偏离现象有较好的复现，与通过稳定性判据得到的偏离特性具有较好的对应关系，验证了虚拟飞行试验在偏离特性研究上的可靠性。     

大比例主梁节段模型涡激振动风洞试验分析

节段模型风洞试验是预估大跨度桥梁主梁涡激振动响应的有效途径之一.大比例主梁节段模型(通常为1:15~1:20)几何尺度更大,试验雷诺数更接近实桥值,同时在模型加工制作方面也可更精确地模拟主梁细节.通过一扁平钢箱梁1:20大比例节段模型试验,优化了检查车轨道位置,分析了涡激振动典型现象如振幅、涡振区与阻尼、Scruton数关系,迎角与斯托劳哈数St关系,双竖向涡振区等,为节段模型涡振试验结果向实桥拓展提供理论与试验基础.     

Control for Underactuated Reentry Aircraft in Small Angle of Attack

The control problem for under-actuated reentry vehicle like HTV-2 is considered with small angle of attack.The control strategy for an aircraft with positive lateral control departure parameter relies on strong lateral stability,which declines with the decrease of the angle of attack.Thus,to control the lateral-directional motion in a stable state is hard and even impossible in some scenarios where the under-actuated reentry vehicle,like HTV-2,flies in a low angle of attack.To address this problem,the lateral-directional open-loop motion characteristics are analyzed.The results show that in an uncontrolled state,the lateral-directional motion can automatically converge to stabilization thanks to the aerodynamic damping effect.Therefore,a method of turning-off the lateral-directional control and inviting aerodynamic damping to control can achieve stability.The six-degree-of-freedom simulation show that the lateral-directional motion can be stabilized by the aerodynamic damping,and the lateral position error caused by the bank angle deviation is limited near the zero-rise angle of attack.The control strategy is effective.