脉冲风洞天平-模型支撑一体化测力技术研究

机体/推进一体化气动性能评估是超高速技术发展的关键之一，一体化试验模型具有扁平比很高的特点，内部空间十分有限，传统测力天平安装时将占用模型大量空间，导致发动机相关设备难以安装，从而影响风洞试验的开展。针对上述问题，设计了天平-模型支撑一体化测力装置，并对其进行了强度分析和模态分析，验证了测力装置的强度和频响特性；其次，对一体化测力装置进行了静态校准，获得了相应的载荷计算公式；最后针对2.0m试验模型在Φ600mm脉冲燃烧风洞中开展了Ma5.0、Ma5.5、Ma6.0状态下的气动力载荷测量试验，并对该测量结果与成熟的盒式天平测量结果进行了对比，两者一致性较好，最大测量误差为Ma5.5状态下的法向输出结果，最大值为6.45%，能满足脉冲风洞测力要求。本研究提出的一体化测力装置可为脉冲风洞中机体/推进一体化气动力实验提供参考，进一步发展了脉冲风洞测力技术。     

燃烧加热脉冲风洞气动/推进一体化试验研究

吸气式高超声速飞行器的机体与超燃冲压发动机高度耦合，使得一体化气动性能预测非常困难，但是能够开展一体化带动力试验的地面设备很少。中国空气动力研究与发展中心(CARDC)研制了一种氢氧燃烧加热高焓脉冲风洞，其有效试验时间大大超过长时间激波风洞，采用模型-天平一体化设计实现了在几百毫秒内进行高精度测力，重复性测力误差小于2%。结合数值计算进行了支架干扰、来流污染凝结、壁温等影响及试验数据修正研究。典型升力体高超声速飞行器气动/推进一体化试验结果表明:在燃烧加热脉冲设备的300 ~ 600ms有效试验时间内，能够有效获得飞行器的升力、阻力(推力)和力矩特性，试验数据与CFD计算结果基本吻合。     

超燃冲压发动机推力性能评估方法

超燃冲压发动机与飞行器紧密耦合,使得在地面试验直接测量发动机流道有效推力非常困难。为了更有效获得发动机推力性能,提出了一种基于机体推进一体化性能试验的评估方法,基于脉冲燃烧风洞带动力一体化测力试验直接获得飞行器的整机净推力。基于净推力加机体外阻的方法获得了发动机有效推力。同时提出了一种通过流量计测量飞行器机体外阻的试验技术,并对测量误差进行了分析(均方根误差小于2.54%)。与传统的台架推力差减内阻的方法相比,该方法把发动机流道内阻计算转为飞行器机体外阻计算或测量,为超燃冲压发动机推力性能评估提供了一种全新思路。     

高超声速一体化飞行器推阻特性测量研究

利用飞行器和发动机研究成果，设计了能在0600mm脉冲燃烧风洞开展试验研究、基本满足推阻平衡要求的缩比机体／推进一体化飞行器模型，利用0600mm脉冲燃烧风洞，完成了带动力一体化飞行器推阻特性的试验研究。设计了组合式三分量一体化飞行器测力天平，在以氢气为燃料、发动机工作时（油气比约为1．2），一体化飞行器模型推力与阻力相当，飞行器实现了推阻平衡。试验表明，飞行器和发动机匹配良好，发动机实现了点火和稳定燃烧，并取得了较高的推力收益，较好地验证了超燃冲压发动机和一体化飞行器设计和计算分析预测的有效性，为大尺度飞行器测力研究奠定了技术基础。     

脉冲风洞一体化飞行器测力精度分析

为评估脉冲风洞一体化飞行器的测力精度，根据脉冲风洞测力系统特点，对其进行简化，建立其动力学方程，并获得其动态脉冲响应衰减函数；分析测力系统输出信号变化规律，对其进行傅里叶变换，获得系统振动主频，并运用神经网络、梯度下降法对天平信号进行准确拟合，预测了测力信号的趋势值；对多次试验结果进行了信号拟合和趋势预测，获得了天平测力的精度。结果表明:该方法能够准确预测天平稳定输出结果，且当天平输出信号达到4个周期时，测力精度能够达到97%以上。      

多循环脉冲爆震发动机推力测试试验

为了准确、可靠地直接测量多循环脉冲爆震发动机的推力,建立冷态阻力和热态净推力直接测量系统,针对内径114mm、长1100mm的气动阀式脉冲爆震发动机,研究冷态吹风条件下发动机及其主要部件的总压恢复、阻力损失等特性,验证推力测量系统有效地将射流试验条件下外溢气流对脉冲爆震发动机外部及其附件造成的阻力转移到支撑台架上,消除外溢气流对发动机推力测量的影响。开展大量的爆震燃烧试验,实现了脉冲爆震发动机达到40Hz稳定工作,并获得充分发展的爆震波,利用高频响动态推力传感器测量获得脉冲爆震发动机动态净推力变化规律。     

风洞分布式支撑天平测力试验技术研究

采用双尾支撑测量形式的加工、装配误差会使系统内应力过大，影响测量精度。针对某“双机身”飞机CTS 风洞试验气动力测量需求，发展基于多维力天平内置的风洞分布式支撑天平测力试验技术；研制具有消除系统内应力功能的双支撑系统，提出两种6 分量双支撑天平校准及测力方法，并对数据处理和双支撑系统可靠性进行检验加载、对比分析和验证。结果表明：风洞分布式支撑天平测力试验技术能够有效消除双支撑天平系统由于过约束而导致的固有装配内应力，双支撑天平系统各部分连接、测量可靠；两种校准测力方法测量精度相当，均能达到单台应变天平测量误差水平，可满足风洞试验测量精度需求；综合考虑现有校准设备校准能力，最终采用“合成式校准测力”方法进行的风洞试验，获得了满意的试验测力精度。     

高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0．7％以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma＝5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

吸气式高超声速技术研究进展

总结了中国空气动力研究与发展中心(CARDC)在吸气式高超声速技术在试验设备、超燃冲压发动机、数值模拟以及机体/推进一体化飞行器等方面的研究进展。介绍了三种类型的高焓设备:脉冲式燃烧加热风洞、连续式燃烧加热风洞和电弧风洞。通过多种尺度的超燃冲压发动机的直连式和自由射流式试验,获得了发动机的基本性能及其随油气比、喷孔位置等的变化规律。对比连续式和脉冲式风洞试验结果,得知工作时间大于100 ms的脉冲式燃烧设备是开展发动机基本性能研究的经济、高效试验手段。成功研制了三维大规模并行数值模拟软件平台AHL3D并广泛应用于发动机研究。在0.6 m风洞中,完成了1.5 m带动力飞行器试验,获得了发动机工作和不工作状态下的飞行器推阻及升力特性。     

基于惯性补偿的三分量测力天平瞬态特性的研究

高超声速一体化试验模型在脉冲燃烧风洞中进行测力试验时,模型振动导致天平无法准确测量模型所受到的气动力载荷。为研究脉冲风洞瞬态测力问题,采用了以下方法:根据测力天平的结构特点建立了动力学方程;对其进行了虚拟标定和模态分析;对测力天平进行了瞬态分析并对输出结果进行了惯性补偿。结果表明,单分量阶跃载荷加载时,补偿后输出结果超调量大大下降,振动衰减时间缩短,俯仰力矩会对轴向力输出产生干扰,且三分量阶跃载荷加载时,干扰降低,各分量的超调量分别为162.6N,574.4N和38N·m;单分量正弦加载时,加载分量上输入输出基本一致,俯仰力矩对轴向力的干扰作用仍然存在,3分量正弦载荷加载时,输入输出结果具有相同的周期特性,俯仰力矩结果与输入结果一致,轴向和法向输入输出间存在一定偏差,3分量的超调量分别为24.1N,375.7N和70.8N·m。     

Transfer learning: A new aerodynamic force identification network based on adaptive EMD and soft thresholding in hypersonic wind tunnel

The aerodynamic test in the pulse combustion wind tunnel is very important for the design, evaluation and optimization of aerodynamic characteristics of the hypersonic aircraft. The test accuracy even affects the success or failure of hypersonic aircraft development. In the aerodynamic test of pulse combustion wind tunnel, the aerodynamic signal is disturbed by the inertial force signal, which seriously affects the test accuracy of aerodynamic force. Aiming at the above problems, this paper innovatively proposes an aerodynamic intelligent identification method, that is the transfer learning network based on adaptive Empirical Modal Decomposition (EMD) and Soft Thresholding (TLN-AE&ST). Compared with the existing aerodynamic intelligent identification model based on deep learning technology, this study introduces the transfer learning idea into the aerodynamic intelligent identification model for the first time. The TLN-AE&ST effectively alleviates the problem of scarcity of training samples for intelligent models due to the high cost of wind tunnel tests, and provides a new idea for further implementation of deep learning technology in the field of wind tunnel aerodynamic testing. And this study designed residual attention block with soft threshold and dense block with adaptive EMD in TLN-AE&ST model. Residual attention block with soft threshold module can more effectively suppress the influence of instrument noise signal on model training effect. Dense block with adaptive EMD makes the deep learning model no longer a black box to a certain extent, and has certain physical significance. Finally, a series of wind tunnel tests were carried out in the Φ = 2.4 m pulse combustion wind tunnel of China Aerodynamic Research and Development Center to verify the effectiveness of TLN-AE&ST.     

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。     

气体取样分析在脉冲燃烧风洞试验中的应用

针对脉冲燃烧风洞试验条件及超燃冲压发动机燃烧室出口流场环境,设计了用于脉冲燃烧风洞流场氧气组分浓度校核及发动机燃烧室出口气流组分分析的探针取样-气相色谱分析测量系统,并在此基础上完成了对取样探针内部流场特性及燃气化学反应冻结情况分析.分析结果表明,进入探针的气流被有效冷却,能够实现化学反应冻结.利用风洞试验气流进行了系统校核,系统控制方面能够满足脉冲风洞试验测量要求,所得到的气流中氧气含量测量值与理论值吻合较好,偏差小于5%,甚至低至0.4%.利用该系统对马赫数2.6来流条件、直连式燃烧室模型燃烧工况下,出口不同位置处燃气中O2、N2和CO2等主要气体组分进行了直接测量,并进而估算了各测点处的表观燃烧效率,获得了其变化情况,所得到的结果在一定程度上反映了燃烧室中燃料的分布情况.     

天平与波纹管系统结构设计与有限元分析

为满足某飞机后机身风洞试验需求,研制了一种用金属波纹管密封测力天平的新型测力装置。利用密封原理,该装置的波纹管结构能有效地隔断风洞流场压力波动,使其内腔压力平衡,确保天平精确测量作用在飞机后机身上的气动载荷。通过对天平与波纹管系统进行合理的结构设计,以及应用有限元方法进行详尽的静态和动态力学分析,该装置得到了较为理想的设计结果。天平地面校准和风洞试验结果表明,波纹管密封效果好,对天平测力干扰小,达到了预期的试验要求。     

高温风洞气氧/煤油燃烧加热装置设计与试验

高温风洞是开展飞行器热防护技术研究的重要试验设备。为满足在高温风洞前端长时间生成大尺度、高焓、高速气流的试验需求,提出了一种基于气氧/煤油燃烧的高温流场生成装置。装置采用火炬式点火器点火启动,通过使用气液同轴离心喷嘴以及分区隔板的喷注器进行燃烧组织,并由可替换的型面射流喷管实现大尺度均匀流场的生成。30kg/s量级加热装置千秒热试车调试结果表明,该装置能够实现快速点火并长时间维持大尺度稳定流场的生成,在飞行器热防护地面试验技术领域将有良好的应用前景。     

小尺寸应变天平设计方法研究

Φ0.3m高超声速低密度风洞测力试验模型尺寸小、天平载荷小、流场总温高,天平防热结构设计难,刚度要求和灵敏度要求矛盾突出,测力天平的研制难度大。采用数值仿真和风洞试验相结合的研究方法,对应用于该情况下的内式天平在温度影响和结构设计方面进行了研究。采用有限元方法对天平温度影响和结构应力分布做了详细分析,并对分析结果进行了风洞试验验证。结果表明：在实现天平结构优化设计及提高天平设计的准确性和可靠性方面,有限元分析设计方法是非常有效的技术途径。     

基于校准箱的低速风洞一体式喷流试验技术

为满足大型涡扇动力飞机的喷流试验需求,发展了基于校准箱的低速风洞一体式喷流试验技术。该技术的原理是将试验模型与喷流模拟器融合为一体进行喷流试验,风洞天平同时测量模型的气动力和喷流模拟器的推力,推力通过校准箱校准后从风洞天平测量试验数据中扣除。详细介绍了推力校准及扣除技术、空气桥技术、流量、落压比精确控制技术。为验证该试验技术可靠性,分别在校准箱和FL-13风洞开展了某飞机推力校准试验和全机喷流风洞试验,试验结果表明:推力校准精度优于0.24%,全机喷流试验的阻力系数重复性精度达到0.000 3,满足喷流风洞试验的精度要求。      

涡扇动力模拟短舱反推力校准试验技术

为满足大飞机的反推力风洞试验需求,中国空气动力研究与发展中心发展了涡扇动力模拟短舱反推力校准试验技术。在FL-12风洞建立了反推力校准试验平台,利用推力天平测量反推力短舱实际推力,通过空气桥减少高压供气管路对天平测量影响,通过安装在短舱进口和喷口之间的隔板解决短舱进排气对风洞气流的诱导及反向喷流被短舱重新吸入的问题。发展了反推力校准试验方法和试验数据修正方法。为验证反推力校准试验技术可靠性,分别在FL-12风洞和FL-13风洞开展了某型号反推力校准试验和全机反推力风洞试验,试验结果表明:随排气压比增大,反推力短舱流量和速度的计算值与标定值之间的差异逐渐减小；校准试验精度优于0.5%,满足反推力风洞试验对校准试验的精度要求。      

横Π型梁在风洞应变天平阻力结构上的应用

主要通过对比传统T型梁和横Π型梁,对风洞应变天平的阻力测量梁进行了分析,根据分析结果提出了传统的横Π型阻力测量梁的改进方式,并通过有限元分析软件进行了优化分析,改进后的横Π型阻力测量梁降低了升力对阻力的干扰,并有利于提高天平阻力分量的稳定性。该测量梁结构应用到了某型飞机高速风洞试验测力天平上,天平静态校准结果与理论分析结果吻合,风洞试验时天平状态良好、性能稳定。     

Ф2米直升机试验台旋翼天平研制与应用

为实现小尺寸直升机旋翼模型在风洞内进行测力试验研究,并得到可靠的数据,研制了用于Ф2米直升机旋翼模型试验台进行测力试验的旋翼天平,本文详细介绍了该天平结构特点与研制计算,并给出了静校结果和几次悬停、前飞试验的测量结果。