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。     

基于长短时记忆神经网络的非定常气动力建模方法

针对飞机大迎角过失速机动过程中的非定常气动力高精度建模需求,提出了一种基于长短时记忆(LSTM)神经网络的非定常气动力建模方法。以三角翼大迎角非定常气动特性为研究对象,建立了基于LSTM神经网络的非定常气动力模型,实现了对升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数的预测。研究结果表明,基于LSTM的非定常气动力模型收敛速度快,模型预测结果与真实试验结果符合性较好,模型预测精度优于基于循环神经网络的非定常气动力模型,并且具有良好的泛化性能。     

一种飞行器投放分离气动力辨识修正方法

空中投放发射的大翼面飞行器的分离轨迹与姿态受载机干扰流场影响更加明显,对分离时干扰气动数据库的准确性提出了更高要求。针对投放分离干扰气动力特点,提出了一种简化的差量气动力模型,并给出了一套飞行数据处理与参数预估计的方法。分离段飞行数据的辨识结果与六自由度飞行动力学仿真结果说明了提出的差量气动模型与相关数据处理方法的有效性。用辨识结果对气动数据库进行修正提高了数据库的准确度,可提高分离安全飞行仿真分析的精度。     

激波风洞两级入轨飞行器纵向级间分离试验技术

高超声速多体分离问题是航天多体飞行器研发中的关键技术问题，基于分离过程中高速流动的复杂性，对高速多体分离的风洞试验研究极具挑战性，特别是激波风洞分离试验。激波风洞具有高速、高焓试验气流特点，更准确评估高超声速分离气动力/热特性，但是其有效试验时间短（ms量级），进行主动式动态级间分离试验极其困难。提出一种应用于激波风洞主动式多体分离试验的高速气动发射系统（HPELS），使得模型在短试验时间内完成主动分离测试，详细介绍了HPELS延迟时间、模型分离时间等精确的时间标定及时序控制方法。针对分离过程中模型的运动轨迹及气动力参数的高性能评估，发展了基于纹影图像的非接触式分离运动轨迹捕获及气动力参数测量技术。两级入轨（TSTO）飞行器的安全级间分离是典型的高速多体分离问题，设计了并联式TSTO飞行器并针对作者提出的纵向分离方案，在JF-12复现飞行条件激波风洞验证了高速动态多体分离试验技术应用的有效性，同时首次在激波风洞对TSTO纵向分离方案进行了原理性验证。初步对比结果显示，试验结果与数值计算结果具有良好的一致性。     

一种折叠弹翼悬挂物的分离轨迹试验技术

提出了一种新的折叠弹翼悬挂物机弹分离轨迹试验技术,重点解决了在机弹分离过程中折叠弹翼动态展开时悬挂物的气动力获取问题。研究表明,提出的试验技术通过将悬挂物气动力修正方法引入到悬挂物分离安全性研究当中,准确地得到悬挂物的分离特性,解决了折叠弹翼悬挂物分离轨迹风洞试验技术瓶颈,为折叠弹翼悬挂物的投放分离安全性提供一套工程实用的解决方案。     

高超声速风洞多体干扰与分离试验技术

在FL-31风洞中进行了某高超声速飞行器的多体干扰与分离试验技术研究,成功建立了多体干扰与分离试验技术。试验模型是某典型构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成。利用风洞上下投放机构实现两模型间的相对运动,采用两台天平对模型的气动力进行测量,同时利用纹影仪记录模型分离过程中的激波干扰情况。结果表明：试验系统设计合理,能准确模拟物体间分离过程,并能精确测量多体干扰的气动力特性,激波干扰清晰可见。     

基于Radau伪谱法的无人作战飞机四维轨迹规划

针对无人作战飞机(UCAV)打击时敏目标和多机协同攻击问题,提出一种基于Radau伪谱法(RPM)的无人作战飞机四维攻击轨迹规划方法。在综合考虑UCAV气动力特性、大气环境特性基础上建立了高精度UCAV(3-DOF)质点模型,并设计了约束条件和目标函数;基于动态RCS建立威胁模型,构建了最优控制理论框架的UCAV四维攻击轨迹规划模型;通过RPM将动态RCS威胁下的四维攻击轨迹规划问题转换为非线性优化问题,然后利用SNOPT软件包进行求解。仿真结果表明,该方法能够以较快的速度和较高的精度生成满足多种复杂约束条件的四维攻击轨迹。     

旋转弹气动力建模与飞行轨迹仿真

运用一种自回归滑动平均(ARMA)的时域气动力建模方法,以计算流体力学与刚体动力学(CFD/RBD)耦合仿真的输出结果为样本,对旋转弹的非定常气动力进行建模。利用建立的气动力模型与刚体动力学方程求解模块耦合,实现了旋转弹轨迹的快速仿真,并讨论了不同的建模方式对仿真精度的影响。算例结果表明:采用气动力模型与刚体动力学方程耦合仿真技术可以在不同初始发射条件下进行旋转弹飞行姿态与运动轨迹预测,且与CFD/RBD仿真结果吻合较好,证明ARMA气动力建模方法可以在保证旋转弹轨迹预测精度的同时大幅缩短仿真时间,节省计算资源。     

非圆截面弹体法向气动力估算方法研究

从位势理论出发，引进小扰动细长体理论中的部分思想，建立了任意截面弹体法向气动力的理论基础，推导出工程估算方法。该方法通过求解仅与截面形状有关系数，对巳有的圆截面弹体气动力进行修正，很方便得到任意非圆截面弹体气动力特性。该方法预测结果与实验数据进行比较，具有较好精度。     

基于轨迹映射的无人机拖曳式空中回收轨迹优化

针对无人机拖曳式空中回收过程中的轨迹优化问题，提出一种基于轨迹映射的无人机回收轨迹在线优化方法。首先，建立包括缆绳-浮标-无人机组合体的运动模型、机翼折叠模型在内的空中回收系统模型。随后，提出轨迹映射的思想，利用双向长短期记忆（BiLSTM）神经网络建立回收系统中回收指令和回收轨迹之间的精确映射关系。然后，利用轨迹映射网络实时预测不同指令下的回收轨迹，并根据计算的预测轨迹代价利用粒子群优化（PSO）算法优化得到最佳回收指令。最后，仿真结果表明：所提的轨迹映射网络具有较高的预测精度和计算速度，所提的方法可以优化出使无人机稳定快速回收的轨迹。     

风洞投放试验技术的研究现状与应用综述

多体分离是航空、航天和武器系统总体部门一直极为关注的关键问题,多体间的流场干扰效应产生的气动力和力矩对悬挂物分离相容性有重要影响,基于运动动力学相似的风洞投放试验技术是预测和评估多体分离是否相容的一种非定常试验方法。根据飞行器多体分离相容性的研究需求,结合作者在风洞投放试验技术的研究成果和经验,对风洞投放试验技术的国内外研究现状进行综述。首先回顾了风洞投放试验技术的发展历史,然后对低速和高速风洞投放试验的相似准则及缩比关系进行详细地论述与分析,进而对风洞投放试验的几个关键技术进行综述,最后对风洞投放试验技术存在的问题提出思考与展望。     

Derivation and validation of a similarity law for free-flight wind tunnel tests of parallel stage separation

Aiming at the safety problem of the stage separation of parallel reusable high-speed air vehicles, this paper studies the unsteady test method and focuses on deriving a similarity law of parallel stage separation free-flight wind tunnel tests. The new similarity law considers the influences of aerodynamic force and gravity on the motions of the two stages, as well as the influence of aerodynamic interference between the two stages on each other’s motion. From the perspective of multi-angle physical equations, the conditions to ensure that the two-stage separation trajectory of a wind tunnel test is similar to that of a real air vehicle are derived innovatively, so as to ensure the authenticity and credibility of wind tunnel test results. The similarity law is verified by an HIFiRE-5 air vehicle, and the separation trajectories of wind tunnel tests and the real air vehicle are obtained by numerical simulation. The research shows that the similarity law derived in this paper can ensure that wind tunnel free-flight tests have the ability to predict the two-stage separation characteristics of real parallel vehicles. By analyzing the separation trajectory curve of the typical state, it is found that the new method can ensure that the trajectory error of a wind tunnel test does not exceed 1%, which indicates that this method is credible. The establishment of the new method lays the foundation for subsequent wind tunnel tests and provides support for research on the safety of the stage separation of parallel reusable air vehicles.     

高超声速多体干扰与分离试验

进行了高超声速飞行器多体系统分离过程中存在的气动力干扰试验研究.试验模型是某构型的可重复使用航天飞行器,由助推器以及再入体两部分组成.研究在FL-31风洞中进行,试验马赫数为Ma=6.97.试验结果表明:分离过程中助推器和再入体之间存在复杂的激波干扰现象,多体系统分离过程中的气动干扰本质上是激波干扰引发的.      

大幅振荡试验支架干扰研究

低速风洞大幅振荡试验是飞行器研制,特别是具有过失速机动能力的战斗机研制中,必不可少的试验研究项目。目前国内外已经开展了低速风洞大幅振荡试验,并开展了其他动态试验系统的支架干扰试验研究和大幅振荡试验洞壁干扰的试验研究,但对低速风洞大幅振荡试验结果中的支架干扰修正都没有进行过相应的研究。为了进一步提高低速风洞大幅振荡试验的数据准度,掌握支架干扰影响规律,在 FL-51风洞采用两步法对俯仰、滚转和偏航三个模态的单自由度大幅振荡风洞试验的支架干扰进行了测量。两步法支架干扰修正法使用叠加原理,认为辅助支架、映像支架和主支架对模型气动力的干扰作用都是线性叠加关系,没有考虑不同支架之间的相互干扰。通过设计加工专用的辅助支架和映像支架,利用两步法试验获得了单自由度大幅振荡试验支架干扰的影响量。分析发现大幅振荡试验中支架干扰影响量对单自由度大幅振荡试验的准度影响较大,进行大幅振荡试验时,需要进行相应的支架干扰试验,并且支架干扰影响量随频率增大而增大。结果表明大幅振荡风洞试验可以通过两步法进行支架干扰影响修正,进而提高试验结果的准度。     

基于工程和数值方法的导弹气动特性计算

导弹气动特性对导弹设计及使用具有重大意义,气动特性的确定是弹道计算、控制参数的选择和结构强度设计的原始依据,其优劣直接影响导弹的飞行性能。针对某型导弹风洞模型,采用一般工程计算方法及FLUENT软件,分别从工程与数值两个方面对其在亚声速条件下的气动特性进行研究,然后将计算所得的主要气动力系数与风洞实验结果进行对比,从而对不同计算方法的精度进行评价。结果表明,二者所计算的气动参数在一定范围内满足工程设计的精度要求,能较为准确地反映导弹的气动特性。     

升力体飞行器尾喷流模拟气动力试验方法研究

尾喷流对升力体高超声速飞行器的气动特性影响显著,风洞喷流模拟测力试验是研究升力体飞行器尾喷流干扰效应的重要手段。在尾喷流模拟气动力试验中,选取恰当的喷流模拟参数,以及克服喷流供气管路对天平测力的干扰以提高测量精准度,是需要解决的关键技术。在 CARDC 的Ф1米高超声速风洞中,研究了采用冷喷流模拟、飞行器整体模型测力的升力体飞行器尾喷流模拟测力试验方法。通过优化模型结构设计、选用小干扰的喷管分断缝隙密封措施,解决了带尾喷流模拟条件下的升力体飞行器气动力精确测量问题,提高了带喷流气动力试验数据精度,接近常规气动力试验的水平。     

PSO-LSSVM在民机气动性能数学建模上的应用

目前风洞试验仅为民用飞机飞行性能提供有限数据.全飞行包线的技术支持对于民机飞行试验十分重要,需要采用数学建模和参数辨识的方法.选择合适的机器学习算法是参数辨识中最为关键的一步.支持向量机(SVM)采用结构风险最小化原理,尤其适用于小样本情形.根据A320非巡航起降阶段的几组真实数据,以及全机气动力估算的结果,使用最小二乘支持向量机建立预测模型.随后采用粒子群算法优化模型参数从而提升泛化能力.由此实现民机飞行包线的气动性能整体建模与辨识.与Ma=0.78时的实验数据相比较,PSO-LSSVM模型的预测结果吻合,是一种有效的气动数学建模方法.     

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.     

Optimization and verification of free flight separation similarity law in high-speed wind tunnel

Based on the similarity of separation time, a similarity law optimization method for high-speed weapon delivery test is derived. The typical separation state under wind load is simulated by the numerical method. The real separation data of aircraft, separation data of previous test methods, separation data of ideal wind tunnel test of previous methods, and simulation data of the proposed optimization method are obtained. A comparison of the data shows that the method proposed can improve the performance of tracking. Similarity law optimization starts with the development of motion equations and dynamic equations in the windless state to address the problems of mismatching between vertical and horizontal displacement, and to address the problems of separation trajectory distortion caused by insufficient gravity acceleration of the scaling model of existing light model. The ejection velocity of the model is taken as a factor/vector, and is adjusted reasonably to compensate the linear displacement insufficiency caused by the insufficient vertical acceleration of the light model method, so as to ensure the matching of the vertical and horizontal displacement of the projectile, and to improve the consistency between the test results of high-speed projection and the actual separation trajectory. The optimized similarity law is applicable to many existing free-throwing modes of high-speed wind tunnels. The optimized similarity law is not affected by the ejection velocity and hanging mode of the projectile. The optimized similarity law is suitable not only for the launching of the buried ammunition compartment and external stores, but also for the test design of projectile launching and gravity separation.