低速风洞带动力模型自由飞试验

为在风洞中模拟飞行器六自由度飞行的物理过程,获取飞行器流动/运动/控制耦合特性,对低速风洞带动力模型自由飞试验技术进行了研究。基于相似准则,在大型低速风洞建立了试验系统,利用纵向静不稳定的动力学相似缩比模型飞机,经过飞行控制律闭环控制增稳后,开展稳态飞行、施加标准激励验证飞行、控制律参数调整验证飞行、大迎角飞行等自由飞试验,并将试验结果与原型机飞行仿真结果进行了对比研究。结果表明,基于相似准则建立的低速风洞带动力模型自由飞试验系统,能够有效模拟飞机闭环控制飞行过程,试验结果准确反映原型机的稳定与控制特性。低速风洞带动力模型自由飞试验验证了原型机的飞行控制律,预测了其大迎角失速/偏离特性,形成了飞行器气动/飞行力学/控制一体化风洞试验研究能力。     

风洞虚拟飞行试验中的飞行控制系统快速原型设计与部署技术

利用风洞虚拟飞行技术可在风洞中开展飞行器的飞行控制验证与评估研究。飞行控制子系统是虚拟飞行试验技术的核心,采用控制系统快速原型技术,可实现嵌入式实时飞行控制代码自动生成和快速部署,从而大幅降低飞行控制系统集成难度,有效提高风洞虚拟飞行试验效率。本文概述了Φ3.2m风洞虚拟飞行试验系统组成和现状,详细介绍了基于该系统的飞行控制系统快速原型开发平台和部署方法,通过某飞机缩比模型全数字仿真、半实物仿真和风洞虚拟飞行试验,验证了该技术具有良好的通用性和开放性等特点,可以满足不同型号飞行器风洞虚拟飞行试验飞行控制系统集成需求。     

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。     

2．4m×2．4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2．4m×2．4m 跨声速风洞（以下简称2．4m风洞）虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动／运动耦合机理的目的。发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题。针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法。结果表明：对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程。     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

风洞虚拟飞行模型机与原型机动力学特性分析

在低速风洞虚拟飞行试验系统中,采用三自由度（3-DOF）球铰支撑动力学相似缩比飞机模型,在气动力矩作用下试验模型可绕质心自由转动。这种带约束的运动与具有六自由度（6-DOF）的真实大气飞行存在差别,鉴于此,对各影响因素逐个剖离并进行了数值模拟和对比分析。结果表明：位移约束使两者间的动力学特性产生较明显的差异,缩比的影响符合相似准则规律,机构摩擦、模型重心与支撑点不重合影响较小,常值干扰力矩对模型的初始响应有一定影响。对比分析结果可以用于指导风洞虚拟飞行试验的开展,并有助于完善风洞虚拟飞行试验技术及其拓展应用。     

风洞虚拟飞行试验技术初步研究

介绍了在航天空气动力技术研究院FD-10低速风洞中建立的风洞虚拟飞行试验系统,和对风洞虚拟飞行试验技术进行了验证性研究的情况。研究的目的是探索风洞虚拟飞行试验技术的原理和关键技术,包括组合式滚转轴承系统和舵面作动系统的缩比模型以及悬挂支撑系统技术。分别进行了模型滚转运动和偏航运动的风洞试验,对模型姿态随舵偏角变化的实时响应进行了风洞试验研究,验证了虚拟飞行的可行性,为建立生产型风洞的虚拟飞行试验装置打下了基础。     

2.4m跨声速风洞大振幅动态试验技术

现代先进飞行器在高机动飞行过程中,容易诱发非指令的多自由度耦合运动,呈现出复杂的动态气动力及耦合运动现象。为满足先进飞行器多自由度动态气动特性研究与试验评估的需求,中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所在2.4m×2.4m跨声速风洞建立了可以开展大迎角静态、单自由度俯仰振动、快速拉起、俯仰/滚转双自由度耦合运动等试验的模拟技术。通过典型的70°三角翼验证模型的试验研究,结果表明试验技术获取的试验数据合理可靠,变化规律正确,能够准确反映模型的动态气动力迟滞特性,实现了俯仰/滚转两自由度耦合大振幅运动的纵横向动态气动力测量,可以为飞行器的试验鉴定评估提供技术支撑。     

耦合运动非定常气动模型对飞机飞行特性仿真的影响

 在大振幅偏航滚转单自由度强迫振荡和耦合强迫振荡运动风洞试验的基础上,分别运用准定常气动力建模方法和非定常气动力建模方法,获取飞机的气动力模型;运用两种不同的气动力模型,对飞机的纵向正弦振荡机动飞行进行了仿真。结果表明,准定常模型在小迎角下的仿真结果与非定常模型的结果基本一致;在较大迎角时,准定常模型仿真结果趋于稳定,而非定常模型仿真结果使飞机进入横航向振荡飞行状态,这一现象与F-16XL的试飞结果类似,其主要原因是耦合运动的非定常模型与准定常模型所产生的阻尼特性不一致。这也表明,分析大迎角飞行特性时应考虑耦合运动下的非定常气动特性。     

贝尔公司试验联合重型运输计划用的倾转旋翼机

贝尔直升机公司在NASA兰利研究中心的跨音速动力学风洞中完成了贝尔/波音公司倾转旋翼飞机1/5缩比模型的风洞试验。该四倾转旋翼飞机是一个四引擎、与C-130大小差不多的飞机,可像直升机一样起飞、悬停和着陆,并拥有固定翼涡轮螺旋桨飞机的飞行速度和航程。该试验模型采用前置动力和后向旋翼、悬臂、短舱以及动态调节机翼,代表了飞行验证机的构型。这个“半翼展”模型的机身长5·14m,旋翼长2·31m。该模型设计用于重现全尺寸飞机的空气动力学和结构响应。贝尔公司、NASA与美国陆军研究实验室联合进行的这些试验,目的是研究前机翼与旋翼对…     

小型通勤类飞机失速特性的自由飞验证试验研究

在对某小型通勤类公务机进行风洞实验预测时,发现飞机失速后其滚转特性会发生急剧变化。在分析该型飞机风洞实验结果的基础上,采用机翼加装失速条的失速特性方法,通过缩比模型自由飞试验进行飞行验证,分析在巡航构型和着陆构型状态下原始机翼和机翼加装失速条后的试飞结果。结果表明:缩比模型自由飞试验能够验证机翼风洞试验的预测结果,加装失速条的失速特性改进方法可以改善飞机失速特性。     

面向先进战斗机研制的风洞模型飞行试验技术

高机动性先进战斗机气动布局与飞控系统设计面临愈加严峻的流动/运动/控制耦合问题,大迎角飞行以及推力矢量等高新技术应用也使其在研制过程中面临更高的技术风险,风洞模型飞行试验是实现飞行器气动/飞行/控制一体化研究、降低研制技术风险的重要手段。介绍了低速风洞模型飞行试验技术原理及国内外发展现状,对试验技术主要特点及其在支撑先进战斗机研制中的作用、应用范围、应用阶段以及面临的主要挑战进行了分析,为试验技术发展和应用提供参考。发展和应用低速风洞模型飞行试验技术,有利于充分挖掘战斗机的气动性能与控制性能,降低试飞风险,是新一代战斗机研制、新技术工程化应用的重要支撑技术。     

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。     

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。     

缩比模型模拟全尺寸飞机自动着舰的相似关系

由于直接采用全尺寸舰载机进行全自动着舰试验的风险较高，可以采用缩比模型模拟全尺寸飞机进行着舰的试验方案。基于相似系统原理，研究了缩比模型模拟全尺寸飞机着舰的相似关系，具体包括着舰导引律、自动驾驶仪、进近动力补偿系统与甲板运动补偿系统的增益以及航母运动与机舰相对运动参数的相似比例关系。以某算例舰载机及其缩比模型为算例，完成了各自着舰的数学仿真计算。结果表明，全尺寸飞机着舰数学仿真结果与缩比模型仿真结果满足运动相似关系，且各项参数的相似比例与推导结果一致，证明了本文研究结论的正确性。     

一种低速风洞虚拟飞行试验装置的建模与仿真

为实现大角度范围、多自由度的机动动作模拟,研发一种低速风洞三自由度动态试验支撑机构,可模拟绕速度矢滚转机动动作以及失速偏离、尾旋等危险飞行状态。该机构通过两自由度转台和旋转曲杆的组合运动模拟飞机模型的三轴姿态变化。基于多体动力学理论,采用拉格朗日乘子法推导出该机构曲杆-飞机模型的动力学数学模型;模型中考虑了机构与试验模型的约束关系、机构摩擦力矩的影响。仿真结果表明:采用该支撑机构,飞机模型可在水平风洞中实现绕速度矢量滚转等典型机动动作;曲杆和试验模型的滚转运动基本同步;曲杆主要影响速率响应的动态过程,摩擦力矩对速率的动态过程和稳态值有一定影响。以上数学建模和仿真验证可为风洞试验提供理论依据。     

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。     

CHN-T1标模2.4米风洞气动特性试验研究

大飞机标模可用来校验风洞流场品质,检验和提高大型飞机风洞试验数据质量,标模的外形特点及其气动特性能否反应现代大飞机设计特点尤为重要。气动中心前期已完成了一套大展弦比飞机标模CHN-T1的设计研制,为了验证设计结果,在2.4米跨声速风洞中进行了一期验证试验,试验Ma数范围0.40～0.90,模型名义迎角-6°～15°,侧滑角-3°～12°,雷诺数Re=(3.3～7.5)×10~6。试验内容包括纵横航向基本特性试验、重复性精度试验、变雷诺数试验、转捩对比试验、流谱观察试验和变形测量试验。结果表明,该飞机外形具有良好的升阻特性,符合现代大展弦比飞机的典型气动特征,可用于2.4m跨声速风洞大型飞机标模试验数据体系建设。     

大尺寸缩比自由飞模型惯性矩测量与调整方法

给出了双线摆法测大尺寸缩比自由飞试验模型惯性矩的方法和流程,并根据飞机类模型的惯性矩特点,提出了大尺寸缩比自由飞试验模型惯性矩调整所需的配重计算方法.双线摆法测量原理简单,不需要复杂的测量设备,具有较好的工程实用性.应用实例证明,模型飞机调整后的惯性矩与目标状态符合较好,测量精度满足工程应用要求.