基于PSD的模型姿态角和振动测量技术原理性研究

为了适应风洞发展的需要,满足风洞测量技术精细化、多样化的要求,开展了基于位置敏感器件（PSD）技术的模型姿态角测量系统的原理性研究。对PSD探测头进行了详细设计,完成了姿态角测量试验平台和数据采集处理系统,并开展了初步的测量试验。通过原理性试验证明,测量系统的测量范围为-10°～10°,测量准确度为0.036°,测量精度为0.016°。还对系统应用于振动的测量进行了原理性的研究,获得了初步的研究数据。随着进一步的细化和精确度的进一步提高,基于PSD技术的模型姿态角测量系统在风洞模型的姿态和振动测量、姿态角测量机构的标定和检定、视频测量系统的相互验证等领域具有非常大的应用潜力。     

飞机尾旋三维测量试验的改进方法

飞机尾旋试验是研究飞机进入尾旋特征以及提出如何改出尾旋的方法。传统测量飞机尾旋运动姿态的实验自动化程度低、人工操作复杂费时,因此针对这些问题开发了一套基于特征点测量的改进方法。主要是基于机器视觉的三维测量原理,能动态测量飞机模型的三维特征点并计算出模型的各个姿态角度。在标记检测时采用了新的标记检测方法,提高了标记布局及图像识别的灵活度;姿态角的计算是根据坐标系转换而得到的。根据改进方法研制的系统操作简单、整个测量过程只需30min左右;并且数据有效率控制在90％以上;姿态角的精度控制在±1°以内。该系统在中国空气动力研究与发展中心立式风洞中的飞机自由尾旋实验中得到了很好的应用。     

8m低速风洞虚拟飞行试验技术研究

针对大尺寸缩比飞机模型的气动/运动/控制耦合问题,发展了基于8 m大型低速风洞的虚拟飞行试验技术,开展了4 m尺寸的大展弦比类飞机模型虚拟飞行验证试验,并将试验结果与虚拟飞行环境下的仿真结果进行对比。试验系统功能稳定可靠,设计的试验支撑装置运动范围大、可兼顾单/双/三自由度试验,且满足大载荷受力条件;姿态测量精度优于±0.3°,可实时测量舵面位置且延迟不足0.1 s;俯仰和滚转闭环控制试验响应历程和仿真结果平均偏差不超过5%。研究结果表明,8 m风洞虚拟飞行试验技术能够有效模拟大尺寸缩比模型的机动运动,并具备纵向、航向及横向耦合闭环控制试验模拟能力。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

飞机燃油油量测量及姿态误差修正方法

提出了一种基于 CAD技术的航空燃油油量实时测量方法。采用三维实体造型技术 ,建立了某飞机机翼油箱模型 ,利用油量传感器的输出值及飞机姿态信息 ,对燃油油量进行实时测量及姿态误差修正。     

高超声速风洞变雷诺数试验技术研究

为满足高超声速飞行器气动力雷诺数效应研究需求,在CARDC的Φ1米高超声速风洞中开展了变雷诺数试验技术研究.该项试验技术是利用Φ1米高超声速风洞采用高压下吹-真空抽吸驱动运行方式、风洞运行参数范围宽的特点,通过宽范围内调节风洞运行总压而大幅改变模拟雷诺数.研究采用了单点变雷诺数试验技术和连续变雷诺数试验技术两种手段来开展高超声速飞行器气动力雷诺数效应模拟.单点变雷诺数试验是通过一系列不同雷诺数条件、不同试验车次的试验结果,获得气动特性随雷诺数的变化规律;连续变雷诺数试验时,控制风洞总压从高到低连续变化,测量获取模型处于某一姿态角条件时气动力随雷诺数的变化规律.本文介绍了变雷诺数试验的风洞开车方式、试验及数据处理方法等,并开展了某升力体飞行器和某弹头模型雷诺数效应试验研究.研究结果表明:采用单点和连续变雷诺数试验技术相结合的方式,能较为完整、准确地获得飞行器模型气动力随雷诺数的变化规律.     

地炮弹丸攻角靶场测量精度要求的探讨

本文在论证比对基础上选取了弹丸气动参数辩识模型及弹道研究模型,并以某155mm榴弹为例,研究了弹丸气动参数、攻角姿态及其测量误差对弹道特性与射表精度的影响,进行了大量对比计算和分析,据此对纸靶、大阳方位角传感器等攻角测量系统初步提出了较明确的测量精度要求。     

地炮弹丸攻角靶场测量精度要求的探讨

本文在论证比对基础上选取了弹丸气动参数辨识模型及弹道研究模型，并以某１５５ｍｍ榴弹为例，研究弹丸气动参数，攻角姿态及其测量误差对弹道特性与射表精度的影响，进行了大量对比计算和分析，据此对纸靶、太阳方位角传感器等攻角测量系统初步提出了较明确的测量度要求。     

8m×6m风洞特大迎角机构连续扫描试验技术研究与应用

基于CARDC 8m×6m风洞特大迎角机构,通过对速压、测控、实时迎角测量、试验流程等各系统的改进,开展了连续扫描试验技术的研究工作,实现了某型战斗机和运输机的连续扫描测力试验,试验精准度达到了常规步进试验方式的同等水平,而获取的试验信息量及试验效率大幅提升。     

2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验技术研究

风洞虚拟飞行试验(WTBVFT)技术是在风洞环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理过程,它不仅可以更加有效模拟飞行器的机动运动过程、获取气动/运动耦合特性和揭示气动/运动耦合机理,而且能够实现气动/飞行力学集成的相容性研究。鉴于此,简要介绍了2.4 m跨声速WTBVFT技术,包括:相似准则和模拟方法、试验模型支撑技术、气动/运动参数测试技术和操纵控制技术等,并开展了典型导弹模型开环控制、姿态角闭环控制、加速度闭环控制、俯仰/滚转耦合与解耦控制以及靶试弹道验证等WTBVFT。研究结果表明:WTBVFT系统运动灵活,气动参数和运动参数测量结果准确可靠,能够有效模拟导弹实际飞行过程,具备闭环控制与耦合运动解耦控制的试验模拟能力,初步形成了气动/飞行力学一体化试验研究能力。同时,该研究也为开展控制方法优化与验证、数据修正与应用以及发展复杂构型的WTBVFT奠定了技术基础。     

风洞模型位移光学测量技术应用综述

风洞试验中,模型姿态的测量是影响数据精准度的一个重要因素,而测量上的一个微小变化,常常对实际应用价值造成巨大影响。当代测量技术发展的一个新领域是应用光学技术。概述了国外主要的风洞模型位移光学测量系统,包括测量依据、应用风洞、模型要求、数据后处理以及精度情况。这些测量系统应用于静态试验和动态试验中,用于模型位移、姿态角和弯曲变形的测量。从应用现状、应用环节、操作步骤、发展趋势等方面进行了描述,并给出了结论。比较这些模型位移光学测量技术可知它们各有优缺点,应用条件不一样。     

高速风洞试验模型姿态角的视频测量及不确定度研究

高速风洞测力试验中,阻力系数精度σc x的先进指标为0.0001,按误差分配原理,要求试验模型迎角的测量精度σα≤0.01°。为此,研究风洞试验中模型姿态角视频测量及其不确定度,给出其系统误差的补偿方法。实测数据（马赫数为1.5、2.0、3.0和4.0）表明：在2m暂冲式超声速风洞试验中,各阶梯迎角测量数据的标准差（含风洞气流脉动致模型姿态角振动产生的误差）在0.0018°和0.0094°之间,迎角实测估计值的标准不确定度≤0.003°,由此可知,姿态角视频测量系统的σα≤0.0094°。本方法既不破坏模型的外形,又不改变模型的刚度与强度,具有实用价值。     

Installation error calibration for MEMS angular measurement system in hypersonic wind tunnel

The accuracy of model attitude measurement has an important impact on wind tunnel test results. Microelectromechanical System Inertial Measurement Unit (MEMS IMU) provides a feasible way to measure model attitudes with high accuracy. However, the installation error between MEMS IMU coordinate system and the body coordinate system of test models can make the accuracy of the model attitude measurement decrease. In wind tunnel tests, the installation error depends on the relationship between the IMU and the model mechanism before tests. Therefore, in-field calibration in wind tunnel tests is necessary to reduce installation errors. To improve attitude measurement accuracy, the least squares quaternion calibration method based on MEMS IMU and six-position calibration procedure are proposed. High-precision three-axis turntable tests are performed. The pitch accuracy after calibration is higher than that before calibration in the angle of attack sweeping tests. The Root-Mean-Square Errors (RMSE) in the roll and yaw are within 0.01°, which are smaller than those before calibration. In the roll sweeping tests, RMSE of three attitude angles decrease significantly. In hypersonic wind tunnel tests, the pitch errors before and after calibration are within 0.05° and 0.02° in the angle of attack sweeping tests without wind. In five angle of attack sweeping tests with wind, the deviation between the mean of the pitch and the pitch after the elastic angle correction is within 0.03° and the standard deviation of five tests is within 0.01°. The proposed method is confirmed to enhance the accuracy of attitude measurement effectively, which is convenient for engineering applications.     

连续变迎角测力试验技术在大型暂冲式跨声速风洞中的应用

由于暂冲式高速风洞运行时间短暂,普遍采用阶梯变迎角方式进行静态测力试验,其试验信息量难以满足先进飞行器研制的试验需求。为在暂冲式高速风洞中获得更为详尽的气动力信息,在2．4m跨声速风洞中进行了连续变迎角测力试验技术应用研究。主要介绍了该项试验技术的基本特点,给出了J7标模的主要试验结果。结果表明,该项试验技术获得的气动力数据与常规阶梯方式具有很好的一致性,可以满足工程实用的要求。     

Accurate attitude estimation of HB2 standard model based on QNCF in hypersonic wind tunnel test

The accuracy of the HB2 standard model attitude measurement has an important impact on the hypersonic wind tunnel data assessment. The limited size of the model and the existence of external vibrations make it challenging to obtain real-time reliable attitude measurement. To reduce the influence of attitude errors on test results, this paper proposes a Quaternion Nonlinear Complementary Filter (QNCF) attitude determination algorithm based on Microelectromechanical Inertial Measurement Unit (MEMS-IMU). Firstly, the threshold-based PI control strategy is adopted to eliminate noise effect according to the Acceleration Magnitude Detector (AMD). Then, the flexible quaternion method is updated to carry out attitude estimation which is operational and easy to be embedded in the Field Programmable Gate Array (FPGA). Finally, a high-precision three-axis turntable test and a hypersonic wind tunnel test are performed. The results show that the pitch-roll attitude errors are within 0.05° and 0.08° in the high-precision three-axis turntable test in a calculation time of 100 s respectively, and the attitude error is within 0.3° after the elastic angle correction in the hypersonic wind tunnel test. The proposed method can provide accurate real-time attitude reference for the analysis of the actual movement of the model, exhibiting certain engineering application value with robustness and simplicity.     

Initial virtual flight test for a dynamically similar aircraft model with control augmentation system

To satisfy the validation requirements of flight control law for advanced aircraft,a wind tunnel based virtual flight testing has been implemented in a low speed wind tunnel.A 3-degree-offreedom gimbal,ventrally installed in the model,was used in conjunction with an actively controlled dynamically similar model of aircraft,which was equipped with the inertial measurement unit,attitude and heading reference system,embedded computer and servo-actuators.The model,which could be rotated around its center of gravity freely by the aerodynamic moments,together with the flow field,operator and real time control system made up the closed-loop testing circuit.The model is statically unstable in longitudinal direction,and it can fly stably in wind tunnel with the function of control augmentation of the flight control laws.The experimental results indicate that the model responds well to the operator's instructions.The response of the model in the tests shows reasonable agreement with the simulation results.The difference of response of angle of attack is less than 0.5°.The effect of stability augmentation and attitude control law was validated in the test,meanwhile the feasibility of virtual flight test technique treated as preliminary evaluation tool for advanced flight vehicle configuration research was also verified.     

一种提高风洞动态试验数据质量的模型姿态控制和测量技术

低速风洞动态试验装置通常采用“电机+减速器+偏心机构+线性传动机构”的方式,存在传递环节多、机械间隙大等问题,给模型运动的精确控制和模型姿态的精确测量带来较大困难。为满足大型客机等大飞机对低速风洞动态试验的要求,基于现有的静态试验通用支撑平台,采用“电子凸轮”技术,建立了一套迎角/侧滑角解耦、可进行飞机小振幅动导数和大振幅非定常气动特性研究的动态试验装置。利用该动态试验装置进行了某飞机大尺度动态试验模型动导数试验和大振幅振荡试验,获得了试验数据的重复性,并研究了动态试验数据和静态试验数据之间的相关性。试验结果表明：利用该装置获得的某飞机动态试验数据重复性较好、规律合理,能满足大型飞机动态试验要求。     

载机投放外挂物低速风洞模拟技术

本文介绍在低速风洞中进行载机投放外挂风洞试验模拟原理,模型设计,试验方法和结果处理,并讨论载机行飞高度,飞行速度和飞行姿态角诸参数对外挂物安全投放及其下落轨迹的影响。     

机动式再入弹头小滚转气动力风洞试验技术

基于气浮轴承的自由滚转式小滚转力矩测量系统的风洞试验技术,针对传统的惯性再入武器向再入机动武器发展需求,利用多孔光栅及高灵敏度光电传感器测量带小突起（如边条,小配平翼）的非轴对称模型自由滚转状态下的角速度随时间的变化过程。采用理论验证、最小二乘拟合、动力学仿真计算等方法,建立相应滚转力矩气动力模型进行试验数据处理和分析。风洞试验结果显示,数据大小合理,规律性好,同时可获得试验模型在滚转运动中的滚转气动力随时间的变化曲线,以及任意滚转角位置的小滚转静力矩,能够满足机动式再入弹头小滚转气动力测量试验的发展需求。