流体推力矢量技术研究综述

流体推力矢量技术不采用机械偏转，以流动控制方式实现推力转向，有望成为一种更加高效的推力矢量控制方法。目前实现流体推力矢量的主要方法有激波矢量法、双喉道方法、逆流控制方法和同向流方法等，对以上方法选择具有共性的计算与试验数据，对喷管的推力矢量效率、推力损失和流量系数进行了对比分析。结果表明激波矢量方法、双喉道方法和逆流方法能够在大落压比范围内（NPR=1.89~10）实现推力矢量控制，并且具有俯仰/偏航耦合甚至多轴控制的潜力。相比激波矢量法和逆流方法，双喉道和同向流方法在减少推力损失和提高矢量效率上占有优势，不足之处是双喉道方法对喉道进行控制限制了流量系数，而同向流方法的适用落压比范围受到严重限制。为寻求更加高效的矢量喷管技术，国内外相继发展了多种新概念流体推力矢量方法，对每种方法的控制原理、潜在优势和存在的问题挑战进行了探讨，新方法着眼于从喷流出口下游进行控制，对主流的干扰很小，值得深入研究，同时也为流体推力矢量的下一步研究方向提供了借鉴参考。     

超声速喷管起动过程激波结构演化特征

通过改变进出口压比，对马赫数2.7的二维对称拉瓦尔喷管流动进行了试验研究，给出了超声速喷管起动过程中的激波结构演化特征。在试验过程中，固定喷管喉道出口面积比，改变喷管上下游压比，使喷管起动激波从喉道发展到喷管出口处，逐渐过渡到设计工况。在起动激波向下游发展的过程中，喷管内流动经历了教科书上给出的理论过程:喉道正激波、扩张段内正激波、喷管出口马赫反射、喷管出口规则反射、设计工况等；但由于附面层的存在，每一个过程与无粘情况下的激波示意图都有所不同。比如，试验中捕捉到的激波串在向下游的移动过程中，出现的由λ型激波向Х型激波的转变，以及激波串非对称现象的出现等。基于纹影和剪切敏感液晶摩阻显示技术获得了起动激波串的首道激波的三维特征。     

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术.喷管总长18m,具有马赫数1.5~4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型.该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正.该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正.调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的.     

风能引信电机的超声速实验技术研究

对于榴弹风能引信电机输出特性的研究,过去都是在闭口式风洞中进行实验,但经大量实验证明,闭口式风洞中各种因素的影响,不利于研究榴弹风能引信电机输出性能及抗高转速的问题。笔者应用气体动力学和实验空气动力学理论,设计一种适合榴弹风能引信电机超声速射流实验装置,利用该装置进行了现有各种型号风能引信电机的超声速实验研究。在此基础上,把超声速风能引信电机进气通道改为拉瓦尔喷管形式。采用实验方法选择出最佳喉道面积。最后,通过实弹打靶得到了验证,同时对风能电机的输出电压和频率进行了风洞试验和打靶遥测数据比较,两者吻合较好。研究表明,拉瓦尔喷管形式的引信电机应用速度范围宽,并便于控制电机的转速。该研究解决了多年来引信电机抗高转速的问题。     

FL-11风洞旋翼翼型俯仰/沉浮动态试验装置的研制

为全面开展直升机旋翼动态失速研究,在FL-11风洞研制了俯仰/沉浮两自由度动态试验装置。首先设计试验装置的机械结构,并利用有限元法对机械支撑框架和运动基座进行静力学和模态分析;其次采用多电机同步驱动实现翼型俯仰和沉浮运动,利用SIMOTION D和S120构建的运动控制系统保证控制精度;最后利用基于龙门轴锁定增益补偿算法的同步控制技术提升电机同步精度,并通过电子凸轮技术实现振幅和频率的无级调节。结果表明:该装置能实现俯仰、沉浮振荡运动以及耦合振荡运动,俯仰运动最大振幅为15°、最高频率为5 Hz;沉浮运动最大振幅为130 mm、最高频率为5 Hz;角度和位移精度分别为3′和1 mm。该装置已成功应用于CRA309翼型动态气动特性风洞试验,为深入研究动态失速特性提供了试验平台。     

扫描式总压耙在高超声速推进风洞流场测量中的应用

在风洞实验中,为了保证实验结果的可靠性,首先需要了解流场的品质。笔者自行设计研制了用于高超声速推进风洞流场测量的带有水冷装置的可移动式扫描总压耙。对于出口截面为300mm×187mm的风洞喷管,通过计算机程序控制,可在3s时间内实现全截面间歇式或连续式扫描,最大移动速度可达250mm/s,而且定位准确。通过扫描结果,分析了流场压力均匀性、稳定性以及实验结果的可重复性,同时还给出了风洞喷管出口截面的总压与马赫数等值线图。从而为超燃冲压模型发动机实验提供参考数据。     

基于FPGA的火箭发动机多路时序点火系统设计

传统固体火箭发动机测控电路采用固态继电器或PLC控制,响应时间长、时间控制精度低,同步性不高,针对某固体火箭发动机多路时序点火测控信号同步性要求,以FPGA为核心架构,计算机、硬件调理电路等部分组成通用火箭发动机测试平台,设计点火时序控制系统,对点火、采集系统同步触发、设备启动等多路信号进行时序控制。FPGA设计部分主要有3个模块组成:计数器模块,NIOSII模块,计数比较输出模块。计数器模块控制时间延时,NIOSII模块控制通信部分,计数比较模块控制信号输出。系统使用50 M的有源晶振,设计中FPGA内部的逻辑线路延时为ns级别,基本能满足μs级的延时要求。经测试结果表明多路同步时序精度达到ns级,实验使用Modelsim与Quartus II进行联合仿真,仿真的结果与实际测量的结果相吻合,点火同步信号误差为5.8 ns,满足发动机点火复杂时序控制要求,满足了多级多参量发动机点火时序要求,并得到成功应用。     

风洞供气控制系统数字阀的设计与应用

随着风洞供气试验所需的指标越发苛刻，模拟调节阀已经无法满足要求，同时针对目前PCM数字阀和PWM数字阀存在的缺陷，提出了一种PCM+PWM数字阀，通过PCM数字阀提供基准流量，PWM数字阀在基准流量的基础上再进行脉宽调节，以满足供气试验的要求。文中介绍了数字阀的研究现状、设计指标、喷嘴的类型选择和结构设计、喉道面积的分配、电磁阀参数计算和型号选择，以及基于PID的流量调节运算方法，并通过多次调试、优化参数，性能测试，最终开展了多项供气试验。试验结果表明，数字阀在风洞供气控制系统中的应用是成功的，试验流量绝对控制精度优于±3g/s，且响应时间短、调节范围宽和可靠稳定等特点为风洞供气试验提供了强有力的支撑。     

低速TPS试验内式流量控制技术研究

TPS试验技术是风洞中研究飞机/发动机一体化设计的最佳手段之一。作为发动机模拟器的TPS单元采用高压空气驱动，因此高压供气流量控制精度与试验精度直接相关。常用的外式流量控制方式由于风洞模型内部空间限制，无法对2台以上的TPS单元进行流量控制。针对外式流量控制方式的不足，设计了一种基于双喉道匹配设计的内式流量控制装置，集流量控制与测量功能于一体，可同时进行4台TPS单元的流量控制，满足4发运输机的动力模拟试验需求。为考核该装置的性能，进行了地面校核试验，试验结果表明该装置具有良好的流量线性控制能力，控制分辨率优于0.15 g/s，流量控制精度优于3 g/s；在8 m×6 m低速风洞进行了某型飞机全模TPS动力模拟试验，试验重复性精度满足国军标合格指标。     

恒速运行时交流励磁系统电流线性放大器特性分析

着重研究了恒速情况下交流励磁系统的电流线性放大器特性的实现问题。作者采用了ａｂｃ坐标系统下的凸极同步发电机的数学模型，对交流励磁机带桥式整流电路进行了精确的计算机仿真分析。结果表明，在恒速运行时，电流线性放大器特性的好坏主要取决于电机的电抗负载因素，以及直轴同步电抗大小。通过合理选择电机参数，交流励磁机的电流线性放大器特性可基本得到实现。这对改善电机性能，减轻调压器负担，提高调压精度等有重大意义。     

智能控制在2.4m风洞同步协调控制系统上的应用

针对 2 .4m风洞中具有同步协调控制要求的子系统的特点 ,为了解决具有大质量、大惯性、大负载、负载严重不等以及风洞运行过程中有强烈气动干扰等特点的系统的同步协调控制问题 ,设计了一种同步控制器和一种智能误差补偿控制器 ,提高了系统的抗干扰能力 ,使系统的同步协调控制指标优于设计指标。     

FL-3风洞喷流试验高精度数字阀的设计与实现

详细介绍了FL-3风洞喷流、带涡轮动力模拟器(TPS)试验中用于流量和压力控制的数字阀系统的设计,包括技术指标、总体方案、通断阀门的类型和喷管的气动设计等。地面调试结果表明:数字阀系统设计合理,喷流流量绝对控制精度小于±5g/s,且控制时间快、效果平稳,满足了FL-3风洞喷流、TPS试验流量压力精确快速控制的设计指标。     

复合材料自动铺带机专用数控系统

为实现复合材料自动铺带机对数控系统的特殊要求,以可编程多轴控制器作为运动控制核心,采用可编程数字I/O卡控制开关量,提出了基于开放式数控系统的铺带机专用CNC硬件体系结构的设计方案。为提高系统中与加工过程密切相关的实时任务的实时性,采用随动控制方式,实现了数控系统软件中的运动控制及其与开关动作量之间的协调联动的任务。完成了各控制器的驱动程序、用户图形界面和数控代码编译模块的设计。该系统能很好解决铺带机多轴运动控制精度要求较高、运动量与较多动作量联动实时性等设计难点。     

基于轴线马赫数分布的喷管扩张段无粘型面设计

针对高超声速风洞轴对称喷管设计问题，开展了喷管扩张段无粘型面设计研究。介绍了基于预设轴线马赫数分布的直接设计方法，改进了基于面积比的轴线马赫数分布预设方法，提出了一种方便多点控制的轴线特征点分布方法。对设计喷管流场进行特征线网三角化，与数值模拟结果进行比较，并分析了影响喷管无粘型面的设计因素。表明:改进的面积比方法可以保证轴线马赫数分布预设的合理性；轴线马赫数分布、轴线上特征点分布和边界特征点数明显影响喷管无粘型面。     

非平行直纹面的电解磨削

为解决整体叶轮扭曲叶片型面的精加工难题,本文进行了五轴联动数控展成电解磨削的基础研究.在分析平行直纹展成电解磨削整体叶轮扭曲叶片的过切误差、得到过切误差计算公式的基础上,提出用圆锥磨轮和组合式五轴联动数控方案来消除过切误差的方法.文中还介绍了数控展成电解磨床的结构与运动、经济型多轴数控系统及其联动控制方法,并建立了电解磨削非平行直纹展成曲面的数学模型,开发了五轴联动数控展成电解磨削自动数控编程系统,对航空发动机整体叶轮的叶片型面进行电解磨削.结果表明,加工效率比手工修磨、抛光提高了12倍以上.     

FL-7风洞M数的模糊控制方法

FL 7风洞是以三台航空发动机为动力的跨音速风洞 ,通过调节发动机转速、柔壁及旁路活门开度来实现对M数的控制。影响M数的因素较多 ,很难建立精确的数学模型 ,为了提高M数控制速度和精度 ,在新改造的FL 7风洞测控系统中 ,采用了模糊控制、自学习等控制策略 ,取得了良好的效果。笔者对控制方法和控制规则作了介绍。     

结冰风洞喷嘴雾化特性研究

结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴 MVD 范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。     

超声速气流中液体横向射流空间振荡分布建模

针对超声速气流中液体横向射流的空间振荡分布特性开展试验研究，建立射流/喷雾在纵向和三维空间内的振荡分布预测模型。试验在Ma2.1下吹式风洞中进行，采用脉冲激光背景成像方法和基于PIV原理的倾斜成像方法分别捕捉纵向和不同横截面上的喷雾瞬态分布结构，涉及的研究参数及其变化范围包括:超声速来流总压（642~1010kPa）、液体喷孔直径（0.48~2.07mm）、距离喷孔的流向距离（10~125mm）以及液气动量比（0.11~10）。通过研究，提出并定义一种用于定量描述射流/喷雾空间振荡分布的无量纲参数——喷雾分数（γ），基于喷雾分数开展了纵向喷雾振荡分布研究，建立了纵向边界带模型，并开展了模型准确性验证。研究并发现了横截面上喷雾振荡分布呈"Ω"型，提出spray body和spray foot的分区概念，构造egg-shape曲线对spray body区域的喷雾分数等值线进行拟合，建立了egg-shape曲线方程中6个关键系数的系数模型，进而建立了超声速气流中液体横向射流空间振荡分布预测模型。