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。     

风洞模型自由翻滚实验动导数辨识方法

用笔者发展的从风洞模型自由翻滚实验数据获取动导数的最大似然辨识方法仿真的算例表明 ,动导数辨识结果受测量误差、测量噪声以及静态俯仰力矩系数非线性的影响很小 ,而常用的动导数估算方法所得结果受其影响较大。最后 ,采用最大似然辨识方法处理了某飞行器模型风洞自由翻滚实验数据 ,获取了该飞行器在M =4.0和M =6.0下 0°～ 1 80°振幅范围的动导数     

飞行器纵向阻尼动导数直接测量实验研究

介绍了新研制的“FL-8风洞大幅升沉和俯仰耦合振荡实验系统”及采用该系统产生纯俯仰运动测量飞行器纵向阻尼动导数的试验技术，给出了部分试验结果。实验结果表明，阻尼导数和时差导数在中、大迎角时存在明显的非线性耦合，采用纯俯仰运动直接测量的阻尼导数在整个迎角范围内都是合理的。     

返回舱跨声速自由飞行的静动稳定性

采用运动自由度不受约束的风洞自由飞试验技术，研究大钝头、小升阻比的类"联盟号"返回舱在跨声速区自由飞行时的运动特性与气动特性规律。以单平面光路拍摄返回舱模型在风洞中自由飞动态运动过程图像，经图像自动判读获取其运动轨迹与姿态角，并以参数微分法对模型运动姿态角进行线性与非线性气动参数辨识，得到模型俯仰方向的静、动稳定导数系数。研究结果表明:采用线性与非线性气动参数辨识所获得的静稳定导数系数C_mα均小于零，在数值上差距不大；从非线性气动参数辨识结果看，返回舱静稳定导数系数的数值主要由线性项C_mα0决定，非线性项C_mα2α2所占比例较小；类"联盟号"返回舱静稳定导数系数的非线性较弱，可近似用线性气动模型进行辨识。在试验迎角范围内，返回舱的动稳定导数系数呈现出非线性性质，且在小迎角范围内由线性项决定，在大迎角范围内主要由非线性项主导。     

类Starship飞行器大迎角动态特性数值研究

再入飞行器的动态稳定性是其任务成败的关键因素,因此有必要对新型类Starship飞行器大迎角动态特性进行深入研究。为辨识动导数,采用基于分区弹簧近似法动网格技术的非定常N-S方程求解器开展强迫振动的数值仿真。有限体积离散采用Roe格式及SST湍流模型,时间方向采用全隐式GMRES方法进行迭代求解。在高超声速弹道外形（Hyper ballistic shape,HBS）标模验证的基础上,获得了类Starship飞行器典型大迎角状态下不同飞行马赫数、重心位置、操纵面偏转角、迎角和减缩频率的俯仰动导数变化规律：典型状态下,俯仰动导数超声速时为负,亚声速时为正;随不同因素的变化,Ma=0.3和Ma=5.0时的俯仰动态特性差异明显;高速下操纵面上偏会导致阻尼减小,且后翼影响更显著。计算结果表明了本文方法在宽速域、大空域复杂外形飞行器动态特性辨识中的应用价值。     

弹体脉动压力特征的实验研究

针对弹体模型进行了表面脉动压力特性实验研究,实验马赫数M∞=0. 8、0. 84、0. 86、0. 92、1. 0、1. 15、2. 0、2. 5,实验迎角α=-5°、-3°,0°、3°、5°,沿弹体轴向测量了14个特征点的脉动压力,得到了弹体表面测点的脉动压力系数、频谱曲线以及相关性系数等实验数据.结果表明:脉动压力系数总体上随马赫数增加而降低.不同马赫数.迎角α=0°的条件下沿轴向各测点压力脉动之间的空间相关性有类似的分布规律,且各测点脉动压力基本互不相关.在实验的迎角下,脉动压力系数在弹体表面曲率变化较小的位置基本上不随来流迎角的改变而变化,膨胀拐角肩部位置的脉动压力系数随着迎角的改变而变化较大.超声速来流的功率谱能量峰值所对应的主频出现明显的低频特征;跨音速来流时特征频率随着马赫数的增加而增大,功率谱能量峰值位于特征频率处.     

1.2m 风洞大攻角动导数试验技术

介绍了１．２ｍ风洞攻角达３０°的动导数试验装置与测量系统以及在１．２ｍ风洞中对标准动态模型（ＳＤＭ模型）所作的一系列试验结果。试验的马赫数为０．６～１．２，攻角为０～３０°，振动频率为８～１４Ｈｚ，试验雷诺数为１．２×１０７～２．３×１０７／ｍ。试验所得的阻尼导数包括俯仰、偏航、滚转及滚转引起的偏航动导数随马赫数和攻角的变化表现出明显的非线性，而减缩频率的影响并不显著。天平与测试系统的重复性精度小于１５％。试验结果与国外文献数据具有很好的一致性。     

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。     

基于非定常气动力建模的动导数仿真实验

应用系统辨识理论，利用纵向大振幅非定常气动力实验数据，在频率域内建立了基于Ｆｏｕｒｉｅｒ 变换法的非定常气动力数学模型，并发展了一种获取常规动导数的仿真实验方法，分析了迟滞环的物理意义。对６０°三角翼和Ｆ－１８ 飞机模型进行动导数仿真计算，研究了不同振幅、频率及迎角变化对动导数的影响。结果表明，Ｆｏｕｒｉｅｒ 变换模型可以用于动导数仿真计算，使大振幅非定常实验与小振幅常规动导数实验合二为一。迟滞环的方向反映了飞机运动的阻尼特性。     

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。     

亚声速压气机平面叶栅及其改型的吹风试验

为了对比某压气机原始叶型及其改型后的短弦叶型的气动性能,基于某高亚声速叶栅风洞对原型和改型叶型开展了平面叶栅吹风试验。试验前对不带叶栅和带叶栅试验件下试验段进口均匀性和出口周期性进行检查,确定满足试验要求的测量通道。通过吹风试验测量并分析原型叶栅和改型叶栅的出口总压、出口气流角以及叶片表面等熵马赫数分布。结果表明:相对于原始叶型,弦长缩短后叶型吸力面型线曲率变化增大,峰值马赫数后的气流逆压梯度较大,因此附面层内的气流分离损失更大;设计马赫数0.6时,短弦叶栅的低损失攻角范围比原型叶栅减小了约3°,改型叶栅和原型叶栅均表现出较好的负攻角特性;设计攻角下（i=0°）,进口马赫数从0.4增大至0.7时,两套叶栅出口尾迹的深度逐渐增大,但尾迹宽度基本不变;达到或者超过临界马赫数0.8之后,原型和改型叶栅的尾迹宽度和深度均显著增大。     

非对称飞行器级间分离时喷流干扰特性试验研究

针对非对称飞行器在稠密大气层内级间分离时喷流干扰下的气动特性问题,采用捕获轨迹试验的网格测力技术和喷流试验技术相结合的试验方法,进行了风洞试验研究,研究了在不同来流马赫数、不同迎角、级间分离时一级与二级不同相对位置以及有无喷流状态下的气动干扰特性.详细论述了模型在风洞中的支撑方式、试验方案、喷流模拟参数的选择等,给出了典型试验结果,并进行了详细分析.结果表明:无喷流时,级间分离过程中的干扰流场使二级飞行器法向力减小,产生抬头俯仰力矩;喷流干扰则使法向力进一步减小,使抬头俯仰力矩进一步增大.试验结果已成功应用于某飞行器飞行试验中,试验数据精度满足工程要求,并被飞行试验验证.     

空腔噪声的马赫数敏感性研究

敏感度分析在评估参数的重要程度以及计算不确定度方面具有重要作用。通过风洞试验开展了亚跨超声速下的空腔噪声马赫数敏感性研究。亚跨声速下，通过调节调压阀的开度改变马赫数，马赫数名义增量为0.010。超声速下，通过改变模型迎角实现马赫数的连续变化，迎角增量为1°。利用总压耙测量空腔入口马赫数。结果表明:空腔后部测点脉动压力系数在亚跨声速下随着马赫数的增加而增加，而在超声速下随着马赫数的增加而减小。跨声速下，脉动压力系数对马赫数的敏感性导数最大。不考虑模态切换的情况下，不同速域的主导声模态St对马赫数的敏感性导数均为负数。主导声模态谱峰在亚声速下随着马赫数的增加而增加，而在超声速下随着马赫数的增加而降低。敏感度研究结果不仅可用于内埋武器舱气动噪声载荷的不确定度评估，也有助于更好地认识空腔噪声特性。     

一种二元高超声速进气道起动特性的尺度效应研究

对一种二元混压式进气道三维流场进行了数值和实验考察,研究了不同尺度进气道模型自起动性能的变化。结果表明,在相同来流单位雷诺数条件下,随着模型尺度的减小,进气道自起动马赫数有所提高,起动性能有所降低。同时对不同尺度模型进行雷诺数匹配,发现在相同雷诺数下,不同尺度模型的起动性能相近,表明雷诺数是影响不同缩尺模型起动性能不同的主要原因。在可获得的实验结果范围内,数值模拟所得到的自起动结果基本与之相符。此外,对实验中发现在低雷诺数下进气道反而呈现出自起动特征的异常现象进行了初步分析,通过数值模拟比较指出了低雷诺数下来流偏向层流流态,可能会导致进气道呈现一种“起动”状态。     

基于非定常气动模型的翼型动态响应计算

基于附着流状态下的旋翼非定常翼型气动模型,给出了计算该状态下的翼型非定常升力、阻力和俯仰力矩的数值计算方法。该方法采用半经验指数响应公式,将响应分为环量和非环量载荷部分,利用数值离散来得到非定常气动响应。应用该方法,分别进行了法向力、弦向力和俯仰力矩等的算例计算,并与可得到的试验数据进行了对比,验证了方法的有效性。同时,还对缩减频率和马赫数对法向力和俯仰力矩的影响进行了计算和分析,得出了一些结论。     

用双激波模型计算风扇/压气机非设计点的性能

根据现代高速风扇/压气机内激波波系的真实结构,将适用于预测高速叶型激波损失的双激波模型引入基于基元叶片特性的流线曲率法程序,发展了一种用于预估高速风扇/压气机非设计点性能的方法。该双激波模型考虑了来流马赫数和攻角变化,较真实地反映了高马赫数风扇/压气机的实际工作状况,扩展预测风扇/压气机非设计点性能的能力。利用该模型,本文分别对一台叶尖马赫数达到1.4的大涵道比风扇和一台叶尖马赫数高达1.5的三级风扇的非设计点性能进行了计算,计算结果与试验结果保持了较高的吻合性。     

高超声速飞行器前体/冲压发动机一体化气动热实验研究

以超燃冲压发动机为动力的飞行器,由于飞行速度的增加,气动加热增强,而且在高马赫数范围内,冲压发动机燃烧室的滞止温度也是很高的.通过风洞实验,采用铂膜电阻温度计热流测量技术,开展了来流马赫数6.4和马赫数4.0两种状态下的热流分布规律研究,给出了前体、中支板及内通道的热流实验结果,研究了边界层流动状态、边界层抽吸、激波反射对热流分布的影响.实验结果表明,边界层流动状态对热流分布产生显著的影响,前体湍流热流值约为层流热流值的3.3倍;边界层抽吸会引起热流率增加;激波反射和激波加热对热流分布影响显著,马赫数越大激波加热越强.     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性，中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验，试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生，并由此获得颤振临界参数；采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性，分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究，2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明，动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究，温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置，舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高；舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

确定风洞模型压力中心的变距测力试验

本文提出了采用变换模型相对天平校准中心位置来测得同一状态下的不同俯仰力矩值,再通过数学处理或作图获得小攻角下的精确压力中心位置的试验方法。某型号用本方法试验得到了令人满意的结果。     

侧向喷流单、双喷管气动特性研究

在CARDC-5的高超声速推进风洞中,采用空气作为喷流介质对双锥柱体模型的单、双喷管侧向喷流干扰进行了对比实验研究.实验状态为:马赫数6、飞行高度H=54km、迎角α=0°~6°、滚转角y=0°~9°.实验结果表明:(1)单喷推力放大因子在1左右,力矩放大因子略小于1,喷流干扰影响较小;(2)双喷管流场因为喷流相互干扰的作用,其各放大因子变化量较单喷更稳定;(3)在此高度及模型外形条件下,不管是单喷管还是双喷管,喷流干扰对其自身推力影响不大.