有翼飞行器高超声速动导数的风洞自由飞测量

对具有典型意义的有翼航天飞行器模型在力学所JF－8A脉冲型高超声速风洞中M＝6．26，M＝7．91和M＝9．29条件下进行了模型自由飞实验。由记录的运动经最大似然法作参数辨识后得到它们的俯仰阻尼导数。实验结果显示，在实验范围内模型具有动态稳定性，同一名义实验条件下的重复性实验呈一致的运动规律并具有接近的动导数测量结果。实验范围内马赫数的变化（从6．26到7．91）以及模型质心位置的轴向移动）从0．50到0．60）没有导致俯仰阻尼系数的明显变化，其量值在－1．5附近。而马赫数9．29时阻尼值变小，其主要原因可能是由雷诺数的变化所引起。此外，考虑恢复力矩的非线性影响后，辨识结果有所改善。     

考虑进排气的飞翼静、动态气动特性数值模拟

采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术，以二维模型为例，建立了基于小幅度非定常运动的动导数计算方法，构建了考虑喷流引射效应的进排气模型、考虑管道效应的通气模型以及常规的保形模型，分别对其静态以及动态气动特性进行了数值模拟计算，并辨识了其纵向俯仰力矩系数组合动导数。研究表明:非定常动导数辨识方法较为准确可靠，相比保形模型，进排气以及通气模型的静态失速攻角（AOAs）增大，升力系数、阻力系数及俯仰力矩系数也增大，但力矩系数斜率基本不变，说明静态稳定性差异不大。而相同攻角下，进排气影响下的俯仰力矩系数组合动导数绝对值最大，表明了进排气模型具有最大的动态阻尼，而通气模型次之，保形模型的动导数绝对值最小。      

高速自旋飞行器气动参数辨识

根据高速自旋飞行器运动的特点，发展了气动参数辨识的一种数学模型，辨识参数包括静态气动导数、气动阻尼导数和马格努斯力矩导数等。仿真算例证实了该数学模型的有效性。应用该数学模型分析处理了某高速自旋飞行器的飞行试验数据．辨识获得了其主要气动参数，并分析了若干常见误差源对气动参数辨识结果的影响。     

吸气式内外流一体化飞行器动导数数值模拟

动导数是飞行器轨道及姿态控制系统设计时的重要参数,对飞行器开环系统受到扰动时振荡的敛散特性起重要作用。在标模验证的基础上开展吸气式内外流一体化飞行器WR-A动态特性分析,采用N-S方程模拟强迫简谐振动的非定常流场,获得了飞行器的直接阻尼导数、加速度导数和旋转导数,并对WR-A外形大振幅振动时的进气道性能参数进行了分析。研究表明,在某些情况下反映流动时滞效应的加速度导数占直接阻尼导数的比例最高可以达到40%以上,而在某些情况与直接阻尼导数符号相反。此外,在动导数研究基础上,采用参数化的动导数概念初步开展了非定常气动参数建模研究。针对WR-A大振幅强迫振动的研究显示,采用所建立的模型预测的气动参数与完全非定常计算吻合较好。     

非线性气动恢复力与飞行器动稳定性

复杂流动中,飞行器非定常气动数值计算后的参数辨识、飞行器模型的风洞定常测量、风洞动态(风洞自由飞)测量均显示了飞行器非线性气动刚度项(气动恢复力项、如俯仰力矩 攻角曲线Cm θ)将出现局部静不稳定( Cm/ θ>0)。　　飞行器气动恢复力对运动稳定性影响以往讨论较少,本文讨论了非线性气动恢复力局部出现静不稳定条件下的动稳定特性,其特点是突跃性、单边性与不确定性。飞行器飞行遥测数据分析支持了上述动稳定特性的描述。     

用自适应小波神经网络辨识动态实验数据

在气动动态实验中，往往飞行器气动模型是非线性的，很难对动态系统进行正确建模，因此无法得到准确的气动参数值。而采用自适应小波神经网络，无需对该动态系统建模，就可准确地辨识出气动动稳定特性，同时，精度较高、收敛速度较快。采用该方法对某导弹模型风洞自由飞实验结果进行了辨识与动稳定性分析，结果表明用自适用小波神经网络辨识安全可靠。     

10°尖锥标模高超声速动导数的实验测量

在中科院力学所JP－4B高超声速脉冲风洞中，用模型自由飞方法对1°尖锥开展动态实验测量，并用参数微分法辨识得到了该模型的俯仰阻尼导数。文中还介绍了在模型优化设计，模型工艺以及实验测量记录和数据判读技术方面的一些进展。实验结果表明；脉冲风洞中模型自由飞方法得到的10°尖锥标模高超声速动态气动特性测量值与国外可比数据一致，重复测量精度与弹道把试验相当。     

基于物理解算的民用飞机气动参数辨识方法研究

传统的风洞试验与理论计算无法满足建立高精确飞机飞行动力学模型的需求,有必要通过试飞后的气动参数辨识来修正其飞行动力学模型。以极大似然法为代表的传统动态激励气动参数辨识法极大地依赖于激励信号设计、辨识算法等,存在较大的不确定性。本文提出了一种基于物理解算的方法,利用飞机不同飞行条件下的配平数据,从物理机理出发,针对气动静导数条理进行一一解算,并形成了物理解算法的辨识流程和方案。这一方法可为后续动导数的动态激励辨识减少大量未知参数,从而提高了整个气动模型的修正精度和效率。研究结果表明这一方法具有较高的可靠性和准确性。     

文章导读

吸气式内外流一体化飞行器动导数数值模拟（147—155，doi：10．7638／kqdlxxb—2015．0020）刘绪，刘伟，周云龙，柴振霞
　　 在标模验证的基础上开展吸气式内外流一体化飞行器 WR—A 动态特性分析，采用 N—S 方程模拟强迫简谐振动的非定常流场，获得了飞行器的直接阻尼导数、加速度导数和旋转导数，并对 WR—A 外形大振幅振动时的进气道性能参数进行了分析。研究表明，在某些情况下反映流动时滞效应的加速度导数占直接阻尼导数的比例最高可以达到40％以上，而在某些情况与直接阻尼导数符号相反。此外，在动导数研究基础上，采用参数化的动导数概念初步开展了非定常气动参数建模研究。     

旋转钝锥高超声速自由飞气动导数非对称性北大核心CSCD

分别从采用轴对称假设和考虑非对称性的角运动方程出发,通过对高超声速下(M=6)10°半锥角旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行气动参数辨识,对旋转钝锥高超声速自由飞行状态下气动导数的非对称性问题进行了分析。通过对比辨识曲线与观测值的重合性,证明轴对称旋转飞行器存在气动导数非对称的问题,其动导数和Magnus力矩导数均存在较明显的非对称性,动导数的非对称性尤其严重,而静导数的对称性则较好。进一步分析发现气动导数的非对称性对旋转飞行器的瞬态角运动、及总迎角的峰、谷值及相位均存在明显影响,采用轴对称假设而获得的瞬态角运动将存在一定误差。旋转飞行器气动导数非对称性的影响不可忽略。     

螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法

螺旋桨滑流对飞机各部件的气动干扰造成飞机的俯仰力矩特性恶化，危害飞行安全。开展螺旋桨滑流对螺旋桨飞机俯仰力矩特性的影响机理研究和螺旋桨滑流作用下螺旋桨飞机俯仰力矩特性改进方法研究十分重要。采用动态重叠多块结构网格，通过求解非定常雷诺平均可压缩Navier-Stokes方程，数值模拟了某螺旋桨飞机不同拉力系数下降落构型的绕流流场。结果显示螺旋桨滑流对机翼、平尾的气动干扰是导致飞机俯仰力矩特性恶化的主要原因，改进螺旋桨飞机俯仰力矩特性的关键是改进其平尾的升力特性。以拉力系数等于0.4时的降落构型为优化对象，开展了俯仰力矩特性的改进方法研究，包括降低平尾高度、改变平尾上反角、抬高螺旋桨轴线等方法。研究发现在不增大机翼对平尾整体下洗强度的前提下，减小平尾和螺旋桨轴线的垂向距离，可以明显地改善螺旋桨飞机的俯仰力矩特性。     

非定常自由来流对飞机过失速机动特性的影响研究

在南航非定常风洞内,对三角翼模型在定常和非定常自由来流中做俯仰运动的动态气动特性进行了实验研究.利用模糊逻辑建模方法,对实验获得的非定常气动力数据进行了建模,并将非定常气动力模型应用于过失速机动中70°迎角定直飞行的仿真计算,分析了含自由来流非定常变化影响的非定常气动力数据对过失速机动飞行特性产生的影响.研究表明,考虑自由来流非定常变化的非定常气动力对飞机飞行过程中运动参数的变化和控制律设计都产生较大影响.因此在新一代战斗机的设计、研制中,深入研究飞机的非定常气动特性是十分必要的.     

内埋武器投放分离相容性的风洞投放试验预测与评估

采用基于运动动力学相似的风洞投放试验对先进战斗机内埋武器投放分离相容性进行预测与评估，给出载机在不同飞行马赫数、攻角、弹舱长深比及舱内武器剩余数量、不同弹射力、折叠翼是否展开下，内埋导弹从载机弹舱投放分离后的运动轨迹和俯仰姿态角变化规律，研究这些因素对内埋导弹投放分离相容性的影响。结果表明：处于超声速飞行状态下（马赫数为1.5）的载机，攻角处于0°、2°、3°时投放内埋导弹后弹体俯仰角处于低头状态，利于攻击载机前下方敌方目标；在给定的初始分离条件下，对于两种不同的弹舱长深比，内埋导弹均能安全分离，但对内埋导弹俯仰方向运动影响较为显著；弹舱内武器剩余数量对内埋导弹分离特性影响较小，导弹能快速地远离载机干扰流场，投放分离后弹体俯仰角一直处于低头状态；随着内埋导弹初始分离速度增大，可使弹体快速地穿过载机的下洗流场，有利于内埋导弹与载机的安全分离；导弹的不同气动布局对内埋导弹分离相容性有一定的影响。     

转轴位置对俯仰动态特性的影响

研究了转轴位置对机翼、机身和三个组合体上翼面的动态特性的影响，对于机翼和机身，当转轴位置后移时其动态迟滞效应更为强烈。当翼面处于转轴之前，上仰时会出现更为的动态迟滞效应。因此鸭翼达到失速状态较晚。而当翼面处于转轴之后时，如尾翼，将会更早地出现动失速，转轴位置对动态迟滞特性的影响可以认为主要是由于俯仰运动时的动态洗流影响所导致的实际有效迎角的变化。由此影响了动态分离涡及其发展。     

光束扩展、光船倾斜和漂移对光船自由飞行演示的影响

为了研究光船的地面演示自由飞行试验中激光束扩展、光船相对激光束的倾斜和漂移等因素对光船飞行高度的影响,采用了理论分析和数值模拟相结合的方法。分析表明,激光束的扩展将导致光船接收激光功率的减小,光船相对于光束的倾斜会影响激光的聚焦和光船推力方向,但光船的倾斜力矩不会在飞行过程中累积而使光船倾斜过大,而光船的漂移则会改变光船推力以及侧力的大小。光船飞行数值模拟仿真表明,在横向偏移扰动下,光船在没有达到最大可能高度之前将脱离光束从而失去动力。研究结果显示,减小光船的横向偏移和激光束的发散角可以有效提高光船垂直上升的高度。     

飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验

飞翼飞机易发生刚体短周期模态与机翼低阶弯曲模态耦合所致的体自由度颤振。飞行控制系统对飞机的短周期模态特性影响很大,因此考虑飞行控制系统的闭环体自由度颤振特性值得进一步研究。针对自主设计的颤振模型开发了相应的俯仰姿态保持控制律,综合运用风洞试验和仿真计算开展了相关研究,获得了不同刚体自由边界条件下的开环/闭环体自由度颤振特性,研究了闭环增益对体自由度颤振特性的影响规律,简要分析了影响机理。试验和仿真计算结果共同表明：俯仰姿态保持控制律明显地改变了俯仰模态阻尼的原有走势,闭环后的体自由度颤振特性变化明显。以开环颤振速度为基准,采用较小的比例回路增益K_P或较大的微分回路增益K_D,飞行控制律能增加飞行器俯仰阻尼,提高体自由度颤振速度,反之飞行控制律将导致颤振速度降低。就本文控制律而言,当K_P<0.07或K_D>0.2时俯仰姿态保持控制律能起到抑制体自由度颤振的作用。     

翼身融合布局缩比模型飞行试验动力影响分析

动力系统的进排气效应是影响翼身融合布局飞机俯仰力矩特性和全机纵向配平的重要因素。为了研究动力对全机俯仰力矩的影响,基于飞行动力学方程,提出了一种动力影响计算方法。以某翼身融合布局缩比模型为研究对象,结合风洞试验数据,分析了模型飞行试验中爬升段、平飞段和下降段动力对全机俯仰力矩系数的影响,同时计算了迎角测量误差对俯仰力矩计算结果的影响。分析结果表明:动力使该翼身融合布局缩比模型低头力矩增加,会对全机纵向配平产生不利影响;迎角测量精度对俯仰力矩计算结果有较大影响。     

考虑弹性转轴的扑翼三维气动数值计算

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,研究了同时具有扑动和俯仰运动的三维扑翼气动特性.为了模拟扑翼的弹性特性,在扑翼俯仰轴处设计了扭簧.研究了扑翼平面形状、俯仰弹性轴与质心的相对位置、俯仰刚度变化等参数的影响.结果表明:俯仰角相对扑动角有一个大的相位超前量,且刚度系数越大该超前量越大;考虑了俯仰弹性特征后,计...     

低速风洞飞行器模型编队飞行绳系并联支撑机构

设计了一种用于飞行器双机编队飞行的风洞试验模型绳系并联支撑机构，模拟在周边有障碍物的有限空间通道中的飞行运动。以直升机为例，根据工况参数设计了双绳牵引并联机构作为飞行器模型的支撑，建立了基于可移动的滑轮铰点与直升机模型编队协同飞行的运动学模型，对系统的静刚度进行了分析，并通过试验验证了旋翼转动对该绳系支撑系统动刚度的影响，给出了在有限空间通道中模拟双机编队飞行与着陆过程中绳与绳之间、绳与模型之间的干涉算法，并对该支撑机构的绳系结构进行了干涉分析。结果表明，所设计的支撑机构能有效解决模拟飞行器模型双机编队在有限空间中飞行运动时的支撑干涉问题，而且系统刚度达到低速风洞试验的稳定性要求，是低速风洞中支撑飞行器模型进行编队飞行试验的有效解决方案。     

微型飞行器气动布局的弹射试飞研究

提出了3种不同的微型飞行器气动布局方案：平直机翼、＂M＂形机翼和附加翼稍小翼的气动布局形式.设计、制作了无动力弹射模型和弹射发射平台.通过多次无动力弹射试验,对相关数据进行了对比分析,发现在上述3种气动布局形式中,以具有一定高度的翼稍小翼的气动布局形式为最好.