旋转天平试验和飞机尾旋预测

本文阐述了研究飞机失速／尾旋的重要性和研究尾旋的方法，介绍了哈尔滨空气动力研究所研制的旋转天平试验装置和校准模型的试验结果以及如何应用旋转天平试验数据预测飞机尾旋特性。     

尾旋预测技术

研究了旋转气流环境中快速鉴定飞机气动特性的兰利尾旋风洞中的旋转天平设备。设计者为获得机内旋转天平数据图表，预测稳定尾旋模型并同时获取数据，可在现场研究高抗尾旋形态，如果尾旋特性用于特技飞行或训练，就可演示所希望的尾旋特性。旋转天平数据也用于计算随时间变化的最初阶段、发展阶段和改出尾旋阶段。本文介绍和讨论这些尾旋分析技术：旋转天平数据评价，稳定尾旋平衡预测，大角度、六自由度随时间变化的计算。     

CARDC旋转天平风洞试验系统

旋转天平风洞试验系统主要用于风洞中测定飞机模型在不同姿态角时绕风轴以不同旋转速率作等速旋转状态下的气动特性，为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动系数。本文简要介绍了中国空气动力研究与发展中心低速所的旋转天平风洞试验系统的总体方案、试验能力和性能。文中给出了校验模型试验的主要结果，对试验数据的精准度进行了简单的讨论。校验模型试验结果表明，本试验系统给出的旋转状态气动力系数的精准度达到了较高的水平     

FD09风洞旋转天平试验系统研制

为了分析和预测飞机的尾旋特性,一般通过旋转天平风洞试验测定飞机模型在不同姿态角时绕风轴以不同旋转速率作等速旋转状态下的气动特性。针对上述情况,研制FD09低速风洞旋转天平试验系统,介绍该旋转天平试验系统的设计特点、性能指标,并进行SDM标模和战斗机模型对比验证。结果表明:本试验系统工作稳定可靠,试验结果与参考曲线有较好的重复性,并且本试验系统试验曲线的光滑性要更好一些,同时本试验系统给出的试验数据精度较高,可以用于开展型号试验及相关空气动力学研究。     

民用飞机尾旋研究不同试验方法的比较

飞机的失速尾旋问题是飞机设计者在研发阶段所需要关注的重点之一,截至目前,已有多种手段可以采用,譬如数值计算、风洞试验、模型自由飞试验等。针对飞机尾旋的研究通常在尾旋风洞中进行,采用的试验手段有两种:自由尾旋试验和旋转天平试验,这两种试验原理和方法不同,但都能从不同的角度反映出飞机的尾旋特性。详细阐述了两种试验方法的过程和原理,通过实例表明了两种试验的结果是相辅相成的。     

旋转天平试验预弯接头干扰研究

目前国内现有的旋转天平试验装置都是使用弧形弯轨的方式,为了获得较大的迎角范围,都采用了预弯接头的设计。小迎角下,预弯接头正好处于模型的尾流区内,预弯接头会对模型的气动力和气动力矩产生一定干扰。本文基于FD-09低速风洞旋转天平试验系统,采用将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的方法来开展预弯接头干扰试验研究。试验研究表明：在小迎角下,当预弯接头处于模型尾流区内时,预弯接头对模型纵向和横航向气动特性都有干扰;但是其干扰主要是引起气动特性曲线的平移,对旋转导数几乎没有影响。本文提出的将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的干扰修正方法非常简便,可以为旋转天平试验开展预弯接头干扰修正研究提供一种方便快捷的试验方法。     

飞机尾旋特性的综合数据分析法

为得到飞机的尾旋特性准确的非线性仿真结果,提出了新的综合数据分析方法,在气动力建模时采用综合因子,合理地将总角速度分解成沿速度矢的分量和沿３ 个体轴的分量,沿速度矢量的旋转角速度用于旋转天平试验数据;旋转角速度的其它分量用于振荡天平试验数据,综合地使用了各类试验数据。给出的不同类型的六自由度仿真结果表明,综合数据分析法的结果和试飞结果相当吻合。     

同伦法在现代飞机尾旋预测中的应用

在利用ＢＡＣＴＭ法对高性动性能飞机尾旋预测中，首先要求解平衡解，为此需要使用静态，强迫振荡天平气动模型和旋转天平气动模型，而在两气动模型转换过程中，常常遇到难找或不断得到平衡解的问题，针对这一问题，利用同伦法对气动模型进行处理，有效地了解决了该问题，同时，结合某战斗机进行了有关尾旋的计算和预测，结果表明，所提出的方法是可靠和切实可行的。     

尾旋预测中气动参数的拟合研究

针对现代高机动性能飞机大迎角动态特性分析，特别是在飞机尾旋特性分析预测中，需要的大量风洞实验气动力数据，推出采取多元最小二乘拟合法，进行高次多项式非线性拟合的方法，以某飞机旋转天平风洞实验实验气动力数据为例，进行了数据拟合分析，同时，应用拟合结果进行了该飞机的尾旋特性预测，并给出了部分计算结果和飞行试验结果的比较，证明所推出的数据拟合方法及得出的拟合结果，在大迎角研究领域应用中是可靠的。     

大型民用飞机尾旋运动的系统辨识研究

为了研究某常规布局大型民用飞机的尾旋特性，首次利用一个满足动力相似的缩比模型在Ф5m尾旋风洞中进行研究试验，利用机载传感器所采集的模型运动参数来研判飞机模型的尾旋特性。目前，对于此类飞机模型尾旋运动中所承受的气动力矩研究还十分缺乏，以飞机模型尾旋试验结果为基础，采用飞机六自由度运动学方程来还原模型在尾旋运动中所承受的气动力矩系数，同时利用常规风洞测力试验结果来检验所还原的气动力矩系数的可靠性。进一步采用多元高次方程对模型尾旋运动进行了系统辨识研究，建立了能辨识飞机在尾旋运动条件下的气动力矩系数的数学模型，成功的辨识了重要的气动力系数的导数(Cmα,Cmδe,Cmq,Cnβ,Cnδr,Cnr,Clβ,Clδr,Clp)，与相关参考值比较显示其结果具有较高的可信度。     

立式风洞尾旋技术改进及试验验证

为降低立式风洞尾旋试验系统对飞机自由尾旋试验结果的影响,开发了一套适用于尾旋模型的舵面遥控系统、优化了模型悬挂系统,研究了悬挂系统对飞机尾旋特性的影响。研究结果表明：研制的模型操纵面控制系统具备任意操纵面组合偏转的能力,可以满足飞机尾旋试验要求;悬挂系统各部件重量和外形变化对旋转角速度略有影响,对飞机尾旋迎角、尾旋改出方法、尾旋改出圈数等影响很小。     

重心位置与操纵面对尾旋特性的影响

影响飞机尾旋特性的因素是多方面的,诸如气动特性、惯量特性等对尾旋特性都有很大的影响。本文主要通过模型自由飞试验的一些结果分析了重心位置的变化及操纵面的偏转对尾旋特性的影响。通过对试验结果的综合分析得到的结论是:重心位置的弦向(纵向)变化对飞机尾旋特性的影响是不够显著的,而重心的横向变化对尾旋特性的影响则是十分显著的。方向舵、升降舵等操纵面对尾旋特性的影响也是十分明显的。特别值得指出的是升降舵在尾旋中的影响是与操纵时机有关的,在改出尾旋时若不掌握推杆的时机则可能导致相反的结果。     

水平风洞中开展飞机尾旋特性研究的理论分析

以某飞机尾旋特性为例,在水平风洞中利用具有3自由度的模型支撑装置开展飞机尾旋特性研究并进行理论分析;将基于3自由度装置的建模仿真结果与传统的6自由度飞行仿真、立式风洞尾旋试验结果进行对比,结果显示,三者具有较好的一致性;利用3自由度支撑装置开展飞机尾旋特性研究还可获得飞机尾旋进入和发展阶段的运动参数,可实现尾旋进入、发展及改出的全过程模拟。同时,研究了支撑装置曲杆惯量、机构摩擦和质心偏离等因素对飞机尾旋特性试验结果的影响,结果表明在曲杆及飞机模型设计时,需严格控制曲杆惯量和质心偏移,机构摩擦对试验结果的影响不大。     

立式风洞与立式风洞试验

尾旋是飞机的一种非正常的复杂旋转飞行状态,飞机尾旋研究在航空工程中属于比较冷门的专业。立式风洞是专门进行飞机尾旋研究等特种试验的风洞设施,这种风洞在飞机研发过程中与常规风洞相比使用率较低。对立式风洞和立式风洞试验进行简要的回顾和阐述,为相关飞机型号设计单位进行立式风洞试验、研究飞机尾旋特性与改出特性提供参考。     

重心位置对不同布局飞机尾旋特性的影响

为了研究某大型民机重心位置轴向变化对其尾旋特性的影响,在尾旋风洞中进行了飞机模型的尾旋特性研究试验,试验结果表明在前重心条件下,模型旋转更加明显,尾旋情况更为严酷。同时展示了重心位置轴向变化对鸭式布局飞机和高平尾尾吊发动机布局飞机的影响,并进行了对比分析。此外,还研究了重心位置横向变化对常规布局大型民用飞机尾旋特性的影响。     

民用飞机尾旋特性预测与尾旋风洞试验验证

通过查阅资料,收集在不同试验技术条件下研究所获得的不同固定翼飞机的尾旋特性数据,进行分析和比较获得了一些有意义的经验性结论。选取了几架在布局上与飞机A最为相似的飞机进行了尾旋特性的初步预测,并进一步利用飞机在完全发展尾旋条件下的力矩平衡原理,结合作图法(交点法)预测了飞机A在完全发展稳定尾旋条件下的攻角(α)与无因次旋转角速度(λ)。最后利用一个动力相似缩比飞机模型在尾旋风洞中进行尾旋试验研究,所获得的试验结果也印证了上述预测方法的合理性。     

F—16飞机大迎角飞行特性分析

采用六自由度全量运动方程和三通道飞行控制系统模型，使用时域动态响应的方法，研究了Ｆ－１６飞机在大迎角下飞行的深失速特性和尾旋特性，并对尾旋进入和改出的机理进行了探讨。通过分析研究可午出结论：Ｆ－１６飞机具有深失速特性，若进入深失速后，可用先拉杆后推杜操纵方法改出；Ｆ－１６飞机进入尾旋的主要原因是航向自转和偏航、滚转气动交感；在改出尾旋过程中，方向舵操纵力矩、航向静不稳定力矩、偏航惯性交感力矩对制止     

大迎角耦合运动非定常空气动力特性

采用某飞机大迎角大振幅运动风洞实验结果，分析了大迎角非定常空气动力的一些特性。结果表明，飞机机动飞行时多自由度运动的气动特性比单自由度运动复杂，耦合运动时的气动特性和两个单自由度运动的气动特性的叠加结果相比有一定差别。此外，旋转天平实验结果同本实验的结果相比差别较大。     

旋转机翼飞机旋翼飞行验证平台设计

为了更好地研究旋转机翼飞机旋翼模式下的飞行性能,针对旋转机翼飞机的特点,开展旋转机翼飞机旋翼飞行验证平台的设计,主要包括旋转机翼的结构设计、动力系统设计.通过数值计算的方法,对不同相对厚度椭圆翼型气动特性进行分析研究.建立旋转机翼悬停气动特性的估算方法,地面试验结果和计算结果的对比表明所建立的估算方法是有效的,该方法对今后开展旋转机翼飞机研究具有一定的参考价值和意义.     

俄罗斯飞机模型动态试验与失速/过失速模态研究回顾

前苏联/俄罗斯拥有众多知名的飞机设计局,在过去的一个世纪里,形成了完备的飞机科研体系。飞机失速/过失速(尾旋)是飞机研制的重要方面之一,前苏联/俄罗斯各飞机设计局以及其它航空科研机构在该问题上投入了巨大的人力和物力,在风洞静态试验研究之外,还利用动态试验技术深入研究了不同布局飞机的失速/过失速特性,这些试验包括风洞虚拟飞行试验、尾旋风洞自由飞尾旋试验、尾旋风洞旋转天平试验、投放式模型自由飞试验、火箭助推式模型自由飞试验等。这些动态试验对俄罗斯飞机的边界/超边界飞行研究发挥了重要作用。对前苏联/俄罗斯各飞机设计局的飞机在研制过程中,针对失速/过失速模态的动态试验进行回顾,对国内飞机研制提供帮助。