高马赫数多体分离试验技术研究与应用

为了给高马赫数飞行器多体分离安全评估提供有效的风洞试验预测手段,提出了Φ1m高超声速风洞多体分离试验系统研制的关键技术及解决办法。通过"风洞前室总温总压信号及模型天平测力信号等的数据采集、气动及动力学解算、机构运动控制"三位一体的设计方式,建立了Φ1m高超声速风洞多体分离轨迹捕获试验技术平台。结合高马赫数飞行器开展了马赫数5条件下的网格测力试验和典型状态的捕获轨迹系统(Captive trajectory system,CTS)试验验证。验证结果表明,研制的Φ1m高超声速风洞多体分离试验系统较好地获得了飞行器分离轨迹及气动特性,可以满足高马赫数多体分离试验的网格测力、捕获轨迹等功能需求,且在一次吹风捕获35个轨迹点的情况下,连续轨迹控制模式相较位置控制模式节约了42.5%的风洞运行时间,提高了试验效率。     

FADS系统参数的解算和校正方法

<正>嵌入式大气数据传感(Flush Airdata Sensing,FADS)系统是一种通过嵌入在飞行器前端或者机翼前缘的压力传感器阵列来测量飞行器表面测压孔的压力,并由测得的测压孔压力通过特定的解算算法来获得大气数据的传感系统。1 FADS系统的空气动力学模型通过将位势流模型与修正的牛顿流模型用形压系数ε相结合得到FADS的空气动力学模型。形压系数ε是马赫数Ma∞、当地迎角αe与当地侧滑角βe的函数。入射     

嵌入式大气数据传感系统研究进展

大气数据的精确测量对飞行器的导航与控制至关重要。相较于传统的探针式大气数据测量系统,嵌入式大气数据传感系统更适用于隐身性能要求、大迎角飞行要求的飞行器或高超声速飞行器。回顾了嵌入式大气数据传感系统的发展历程,介绍了该系统完整的组成部分及其工作原理,并指出该系统在应用时的四项关键技术(测压孔布局、气动模型及求解算法、校正算法、故障检测及管理技术),结合国外多种飞行器上该系统不同的应用方案,分别对比分析四项关键技术不同应用方式的优缺点;指出了该系统的四项关键技术均会影响系统精度及可靠性,实际应用中需综合考虑选择其应用方式;最后展望了该系统在未来航空航天领域的应用。     

高超声速飞行器嵌入式大气数据传感系统测压点布局

<正>精确测量大气飞行数据对于现代飞行器是至关重要的,全部的大气飞行数据可以由迎角、侧滑角等数据描述,利用这些参数,其他大气数据便可以推算出来。对于高超声速飞行器,随着速度的增加,温度逐渐升高,飞行环境便越来越恶劣,传统的大气数据传感系统已经不能满足高超声速的飞行状态。嵌入式大气数据传感(Flush Air Data Sensing,FADS)系统可以适应高超声速飞行时的高热状态,它通过机头表面压强测量值,通过一定的算法,可以得     

基于神经网络的类乘波体飞行器FADS算法研究

大气数据是飞行器飞行的重要参数,大气数据系统是必备的机载航电系统。嵌入式大气数据系统（FADS）是新一代大气数据系统,可用于类乘波体飞行器。飞行器外形特殊,大飞行包线内FADS压力场模型复杂,解算算法尚不完备。针对飞行器的特点,利用三维几何建模和计算流体动力学（CFD）计算的方法,分析FADS压力场模型特性,设计并验证了基于神经网络的类乘波体飞行器FADS算法,结果表明,算法对马赫数、攻角和侧滑角大气参数的解算可行有效。     

高超声速风洞双体同步分离捕获轨迹试验技术

为了更准确地模拟质量与体积相当的高超声速飞行器多体分离过程，在国内首次研发了高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术。通过将风洞前室总温总压信号及模型天平测力信号等的数据采集、实时气动及动力学解算、上/下机构联动组合控制、上/下机构运动分配四项关键功能融为一体的设计方式，建立了Φ1 m高超声速风洞双体同步分离试验平台。结合两级入轨空天飞行器标模的多体分离特性研究，开展了马赫数6条件下典型状态的双体CTS(captive trajectory system)试验验证。验证结果表明建立的高超声速风洞双体同步捕获轨迹试验技术较好地获得了飞行器两级分离轨迹及气动特性，纵向气动力试验精度优于4.8%、力矩优于6.2%，纵向捕获轨迹预测精度优于8.7%，可以满足高超声速飞行器两级分离过程中均有较大位姿变化的多体分离模拟。     

尖楔前体飞行器FADS系统的神经网络算法

对人工神经网络算法在尖楔前体飞行器用嵌入式大气数据传感系统(Flush Air Data Sensing System,FADS)中的应用进行了探讨。针对该FADS系统存在的建模困难及解算精度低的问题,采用BP神经网络算法代替传统的空气动力学模型,通过合理选择网络结构参数及训练验证,分别建立了FADS系统的含有单隐含层的三层网络模型及含有双隐含层的四层网络模型,对攻角、侧滑角、自由来流静压及马赫数等参数进行求解。数值仿真结果表明,建立的用于尖楔前体飞行器的FADS系统的神经网络算法求解精度较高,且含有双隐含层的网络模型精度优于单隐含层的模型精度。     

2．4m跨声速风洞的模型位移视频测量精度研究

风洞试验中模型的位置和变形测量对试验数据精准度至关重要。为此,创建2．4m跨声速风洞的模型位移视频测量系统,提出度量其测量误差的方法,并实验研究其测量精度。研究发现,试验中的振动对测量精度影响极大,采用振动环境中相机位、姿解算方法后,试验段底部的编码标记点的测量误差从22．80-48．48mm降至0．03～0．64mm。     

侧压式进气道与飞行器机体气动一体化设计及实验

以机体 推进系统耦合、三维侧压式进气道为基本特征,设计了采用超燃冲压发动机为推进系统的高超声速一体化冷流通气实验模型,在高超声速炮风洞中完成了飞行器的整体气动测力试验。在来流马赫数Ma=8.09的条件下,分别测定了飞行器结合单模块、3模块、5模块超燃冲压发动机在-4°～6°六个攻角下模型的气动力数据,并对实验结果作了分析。     

Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术

为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。     

FADS系统迭代算法的收敛性分析

嵌入式大气数据传感系统采用分布在飞行器前端周线上的压力传感器阵列测量的压力推导大气参数的.介绍了采用迭代法推导大气参数的方法,针对迭代过程中出现的发散问题,提出采用小扰动线性化分析法解决多变量叠代算法的收敛性分析.最后应用Matlab仿真验证,仿真结果表明,在一般的超声速状态下(马赫数小于4.5),该算法是收敛的.     

高超声速飞行器FADS算法研究

应用BP神经网络开展高超声速飞行器嵌入式大气数据系统(FADS)算法研究。采用自主研发CACFD软件平台求解欧拉方程,计算获得飞行器头部的压力分布作为神经网络样本训练的输入,对应的来流状态,如静压、马赫数、迎角和侧滑角作为样本的目标训练神经网络,建立基于BP神经网络FADS求解算法,并进行测试研究。研究表明,基于神经网络技术的FADS算法具有较好的鲁棒性和求解精度,实时性强,是一种非常有效的求解算法。研究结果得出,一定样本数范围内,FADS的求解精度随着样本数增加而提高;算法的平均误差随着测压点的增加而减小;包含大锥角位置测压点的布点组合,明显比只有小锥角测压点布点组合的求解结果平均误差要小;去掉顶点测压点,对算法的求解结果影响不大;1%压力测量误差时,神经网络泛化性能表现非常稳定。     

激波风洞边界层转捩测量技术及应用

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响。在高超声速飞行器研制中，迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。激波风洞作为高超声速气动热环境试验的主要地面模拟设备，是研究高超声速边界层转捩的重要设备。但激波风洞原有测量技术适用于工程型号试验，需要依据高超声速边界层转捩特点进行适应性改造和升级。依据高超声速边界层转捩过程中的热流、压力、密度等物理参数变化，发展了薄膜热流传感器测热技术、温敏热图测量技术、高频脉动压力测量技术、高清晰度纹影显示技术等适用于激波风洞的边界层转捩测量技术。并针对头部钝度0.05 mm的半锥角7°尖锥模型，在中国空气动力研究与发展中心Ø2 m激波风洞（FD-14A）马赫数10、单位雷诺数1.2×10⁷/m的流场条件下开展了边界层转捩试验。采用多种转捩测量技术同时进行测量，获得尖锥模型表面边界层转捩情况、边界层脉动压力频谱特征、边界层内清晰的第2模态波和湍流斑纹影图像，不同测量技术获取的试验结果可相互印证，线性稳定性理论分析结果与试验结果相吻合。     

火星探测器大气数据测量方法

针对火星探测器进入飞行弹道的高马赫数、化学非平衡效应和低动压等特点，提出了一种基于火星进入大气数据系统/惯性测量单元(MEADS/IMU)耦合的测量方法，实现海拔60 km以下区域的火星大气数据测量。利用自主研发CACFD软件平台的化学非平衡模型/完全气体模型计算获得探测器宽速域飞行流场的表面压力点数据，建立了基于BP神经网络的MEADS算法模型。在高马赫数段(Ma>12)利用IMU测量获得的马赫数作为输入条件，结合MEADS算法测量获得总压、动压、静压、攻角和侧滑角等飞行大气参数，成功克服了马赫数无关性对MEADS系统测量的影响。在低马赫数段(Ma≤12),直接应用MEADS算法测量静压、马赫数、攻角和侧滑角。测试结果表明在MEADS系统测压单元误差≤7 Pa的条件：总压测量误差≤14 Pa(1.5%),攻角测量误差≤0.9°,侧滑角测量误差≤0.9°,动压测量误差≤10 Pa(1.5%),静压测量误差≤7 Pa(3%),马赫数测量误差≤0.1。飞行试验数据得出：MEADS测量与IMU测量马赫数、攻角和侧滑角等结果基本一致。     

嵌入式大气数据传感系统风洞标定试验研究

首先分析了嵌入式大气数据传感(Flush Airdata Sensing,FADS)系统的空气动力学模型,对于钝头布局的FADS系统,风洞试验需对迎角误差、侧滑角误差以及形压系数进行标定;对于锥形或非规则布局的FADS系统,空气动力学模型还需要通过风洞试验或飞行试验确定。选取锥形头部模型为试验对象在FD-06风洞中进行超声速试验,模型表面压力分布趋势合理可靠,试验表明:可使用纵平面的对称测压点压力差值解算迎角,使用水平面的对称测压点压力差值解算侧滑角。     

跨声速流场扰动模态与湍流度精细测量

开展了跨声速风洞可压流场扰动模态与湍流度精细测量研究，以满足高速飞行器的低湍流试验需求。基于变热线过热比测量方法，在理论上推导了跨声速流场扰动的一般模态和3种特殊模态特征方程（涡模态、熵模态和声模态），以及扰动模态对应的特征曲线，以此为基础，通过试验获得了流场一般模态、涡模态、声模态扰动图和较高精度的湍流度值，通过扰动图频域分析了马赫数1.50的流场声模态扰动机理，建立了一种跨声速可压流场扰动模态分析与低湍流度测量方法。在新型连续式跨声速风洞完成马赫数0.20～1.50流场测量试验，测得湍流度为0.037%～0.197%，数据非线性拟合优度为0.943～0.995，蒙特卡洛模拟不确定度为0.000 2%～0.004 1%。研究结果证明了所建立的可压流场扰动模态与低湍流度测量方法的有效性，对高性能跨声速风洞的流场评估、优化和飞行器低湍流试验有实际意义。     

风洞气动热试验外推关联参数初步研究

介绍了Φ0.3m高超声速低密度风洞与Φ2m激波风洞的试验设备、测试仪器、试验模型和气动热推导方法。在马赫数M=10的试验条件下,通过流态划分参数、粘性干扰系数、总焓与壁面焓差、激波前后的密度比、壁面温度等关联参数,对高超声速带翼飞行器迎风中心线热流外推到实际飞行的方法进行了探讨。     

2m×2m超声速风洞测量系统与运行管理系统研制

2m×2m超声速风洞测量系统采用NI公司的嵌入式实时控制器及GE公司的反射内存技术构建实时网络,选用NI公司的数据采集卡实现数据采集,选用PSI 8400DTC系统实现模型表面压力测量。运行管理系统包括运行操作系统软件和状态监控系统软件,主要完成风洞试验运行、操作、控制以及风洞试验状态监控。系统软件应用NI公司的LabVIEW 8.6.1图形化开发环境进行开发。介绍了系统研制内容、技术指标、研制方案、关键技术问题及其解决途径。该系统具有功能完善,技术指标先进,操作界面友好,使用维护方便的特点。     

连续式跨声速风洞设计关键技术

为研制先进飞行器,除了提高现有风洞试验测量精度和改进试验技术外,必须建立高性能连续式跨声速风洞试验设备,解决飞行器高速风洞试验模拟能力和精细化模拟问题。以试验段尺寸0．6m×0．6m连续式跨声速风洞设计为例,给出了风洞总体设计方案,分析了如何降低风洞气流脉动、如何改善风洞流场品质、提高风洞运转效率和拓展风洞试验能力等关键技术途径。该风洞作为大型连续式跨声速风洞的引导风洞,方案设计主要采用了高压比压缩机驱动系统、半柔壁喷管、低噪声试验段、高性能换热器和三段调节片加可调中心体式二喉道等新型技术。     

嵌入式大气数据传感系统校准方法研究

针对嵌入式大气数据传感系统的空速校准问题,提出了一种基于释放气象探空气球获取试验空域的大气静压、静温、风速风向等大气数据,以此为基础进行空速校准的方法。通过对比动静压和真空速2种方法计算获得的马赫数结果,验证该方法的有效性。试验结果表明,该方法简单、有效,可为此类大气数据传感系统的空速校准提供参考。