数据融合技术在空气动力学研究中的应用

气动力数据通常通过风洞试验、数值计算和飞行试验三种途径获得,三者各有优缺点,为了得到更加完善准确的气动数据,可采用数据融合技术对不同来源的数据进行深加工和利用。针对数据融合技术在空气动力学中的应用进行讨论和探索,首先介绍了数据融合技术在空气动力学中的应用背景、发展现状及数据融合的基本思想,此后综合提出了建立气动数据融合准则的基本思路和两种具有应用价值的融合算法:基于不确定度的数据融合方法和基于气动力建模的数据融合方法,并给出了部分研究应用结果。最后,文章对气动数据融合技术在气动领域的应用前景进行了展望。研究发现,采用数据融合技术后,可以进一步提高气动数据的完整性和准确性,但由于气动数据融合工作不仅需要进行算法研究,同时还需要工作人员的大量经验,融合结果包含较多的人为因素,因此具体采用何种融合方法要根据具体情况而定。     

飞行仿真气动力数据机器学习建模方法

基于机器学习思想,提出了一种大空域、宽速域的气动力建模方法。该方法利用飞行仿真弹道数据辨识的气动力数据,采用人工神经网络技术,实现了对高度、速度、姿态和舵偏角等多维度强非线性特性的全弹道气动力数据的高精度逼近。首先,分析了神经网络层数、隐含层神经元个数等对建模误差的影响,通过对典型弹道气动数据的神经网络建模计算,确定了较合适的神经网络层数和较优的隐层神经元个数。进而,利用飞行仿真的弹道数据辨识出沿弹道的气动力,采用神经网络建立了包含多个弹道融合的气动力模型,输出量分别为三轴气动力系数和力矩系数。最后通过气动模型输出量与原样本数据的对比,以及4条未参与训练弹道气动数据的预测,验证了该气动力建模方法具有较高的精度。建模结果表明:采用神经网络方法建立的飞行器气动力模型,对拟合多源耦合输入全弹道非线性气动力是可行的和有效的,在样本覆盖的高度、速度、姿态和控制舵偏角范围内,气动力拟合能力较强,并具有一定的外推性。该项研究可以为基于飞行试验数据的气动建模提供新的方法,并且能为飞行器气动力数据挖掘、飞行仿真和总体性能分析提供参考。     

基于网格测力数据的多体分离轨迹预测方法研究

将基于风洞网格测力试验数据建立的气动力模型与刚体运动方程进行耦合求解得到多体分离轨迹-时间特性，建立了一种多体分离的离线轨迹预测方法。为了提高气动力模型的预测精度，针对移动最小二乘法（MLS）模型提出一种新的权函数形式，针对Kriging气动力数学模型通过加入样点预处理提出了Kriging-Pre数学模型。研究方法应用于来流马赫数6条件下，某并联两级入轨飞行器标模的分离特性研究。研究表明采用改进的两种气动力数学模型均可有效提高分离轨迹预测精度，得到与CFD以及风洞试验定性一致的结论。验证了本文提出的离线轨迹预测方法可以满足当前多体分离特性定性分析需求，具有较高时效性。     

基于贝叶斯框架的旋翼气动力数据融合

由于气动环境的复杂性,旋翼在气动评估中存在较多不确定性且对旋翼性能影响较大。当前旋翼气动评估方法不能考虑气动数据不确定性,本文将数据融合技术应用于旋翼气动预测以在记及某些不确定因素影响的条件下,获得具有更高可信度的气动力分布及置信区间,为进一步开展旋翼气动数据的不确定度分析及工程应用奠定基础。基于不同来源的气动力数据均为正态分布的独立随机变量这一假设,将分布气动数据和测量值之间的关系作为融合准则,以实现最佳匹配测量值为目标,采用贝叶斯估计求解融合数据的最大后验概率分布,从而构建一种基于贝叶斯框架的气动数据融合方法。以UH-60A旋翼及Caradonna-Tung旋翼为例,采用所提方法进行不同来源气动数据的融合,对融合结果的估计方差与预测误差进行对比分析。结果表明,首先,所提方法对于输入数据的来源无特殊要求,能够给出融合结果的置信区间并降低不同来源数据的估计方差,基于此结果后续可进行不确定度分析与研究;其次,融合所得结果并不局限于不同来源数据之间,扩大了数据覆盖范围;最后,融合所得结果相比于单一数据来源更符合物理规律。     

基于自抗扰控制的拦截弹姿态控制系统设计

针对采用气动力/直接力复合控制的拦截弹姿态控制问题,提出一种基于自抗扰控制技术的姿态控制系统设计方案。给出俯仰通道短周期扰动运动方程,分别建立了气动力子系统、直接力子系统的二阶积分数学模型。根据建立的数学模型,分别针对气动力子系统、直接力子系统设计了自抗扰控制器。为了有效协调气动力/直接力的复合控制,给出一种加权指令分配方法。仿真结果表明,提出的设计方法能够获得较好的动态响应性能,控制器具有较强的鲁棒性。     

打击复杂地形目标的导弹再入机动弹道设计

建立了再入机动弹道数学模型，给出了气动力系数为速度、迎角、高度的函数拟合式，进行了最佳再入机动弹道设计和仿真计算。结果表明，数学模型正确，计算方法可行，利用再入机动弹道技术可有效地打击复杂地形目标、提高导弹的作战效能和突防能力。     

数据挖掘技术在飞行试验数据分析和气动参数辨识中的应用研究

为了检验飞行试验辨识结果的可信度,首次将数据挖掘技术用于飞行试验数据的分析和气动参数辨识,初步解决了试验数据有限、数据信息含量差别较大给聚类、分类、回归等分析处理带来的问题;提出了利用不同时间段、不同飞行批次的飞行数据在划分区间的气动特性分布来检验辨识结果可信度的方法;以某飞行器为对象,利用数据挖掘技术,建立了基于飞行试验数据的气动力数学模型,检验了辨识结果的一致性和可信度,并与地面试验结果进行了比较分析,给出了地面试验预测误差。多批次飞行试验数据的整体辨识结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为验证辨识结果的可信度、建立基于飞行试验数据的气动模型提供了新的途径,并可应用于CFD 和风洞试验的验证与确认。     

一种基于亚临界响应的颤振稳定性边界预测新方法

基于地面模态试验事先获取的结构模态参数,通过弹性机翼在气流中的亚临界响应,解算出作用在机翼上的非定常模态气动力系数。以弹性机翼的模态位移作为系统输入,模态气动力系数作为系统输出,通过辨识方法获得弹性机翼振动的气动力模型。在时域内耦合结构运动方程和气动力模型,建立基于试验数据的气动弹性稳定性分析模型。通过分析系统稳定性随动压的变化规律,获得弹性机翼的颤振稳定性特性。与经典颤振边界外推方法的主要区别在于该方法实质上只需要一次亚临界响应试验即可预测颤振临界点,可极大降低颤振试验的风险和成本。该方法既可用于颤振风洞试验,也可用于颤振试飞。     

基于庞加莱映射的多站数据融合算法

针对目前单目标跟踪数据融合中存在的伪数据问题,研究了基于庞加莱映射的补充条件定位引导算法和多站抗野值数据融合算法,建立了适应实际传感器数量变化的数据融合体系。理论分析和仿真结果均证明,该方法可行有效。     

大迎角动力学特性分析与建模研究

分析了飞机大迎角气动力特性和运动状态,建立了大迎角运动的动力学模型,并通过分析和比较四种大迎角运动的分解方法,建立了飞机大迎角气动力数学模型。     

旋翼螺旋桨巡航及悬停状态气动特性研究

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,本文基于叶素-动量组合理论,并耦合了计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。     

涡轮多学科优化中的气动设计技术探讨

通过对涡轮多学科优化的分析,讨论了多学科优化中的气动设计技术.提出了基于叶栅特征参数和贝塞尔函数的二维叶栅参数化造型方法,并结合积叠轴的掠、弯形成三维复杂几何叶片成型技术.通过对气动优化过程中的数学模型分析,给出了一般要求的约束条件,并根据不同阶段的气动设计和约束条件提出了分阶段嵌套优化方法.针对三维气动计算,对商用软件CFX进行了二次开发,实现了三维计算的自动分网、建模、求解和后处理.最后,结合具体算例完成的优化设计结果表明,其涡轮效率提高了约2.3%,工作叶片数减少13.21%,叶片叶身总质量下降8.96%.      

高超声速飞行器气动力/热参数辨识研究综述

飞行器气动力和气动热参数辨识是高超声速飞行器设计的关键技术之一。笔者对高超声速飞行器的气动力和气动热参数辨识技术进行了综述。介绍了飞行器气动力、气动热参数辨识的基本原理与主要方法,气动力、气动热参数辨识技术在高超声速飞行器研发中的应用情况与发展趋势。同时也简要介绍了中国空气动力研究与发展中心（CARDC）在气动力和气动热参数辨识研究方面的研究概况。     

基于优化算法的倾转旋翼准定常气动模型

取消了传统直升机旋翼准定常气动模型中对飞行工况和桨叶形状的诸多假设和限制,建立了适合倾转旋翼特殊桨叶形状、桨毂构造以及飞行工况的准定常气动模型.桨叶气动载荷计算基于叶素理论进行数值积分,旋翼挥舞系数通过序列二次规划算法(SQP)进行数值优化求解,诱导速度分布采用Pitt-Peters动态入流模型的稳态形式.利用该方法计算了XV-15倾转旋翼机的旋翼在不同工况下的气动性能以及挥舞系数.计算结果与风洞实验数据吻合良好,误差在8%以内且计算效率高,单一工况求解耗时在5min以内,该方法可用于倾转旋翼机总体设计阶段的性能分析或建立其飞行动力学模型.      

无人机栖落机动建模与轨迹优化

对固定翼无人飞行器栖落机动的纵向运动进行了气动特性建模与轨迹优化设计。通过运动捕捉系统测量获得试验滑翔机实时飞行数据,并结合统计学原理和平板气动理论建立了气动模型和动力学模型。针对所建立的模型采用GPOPS优化工具箱设计了栖落机动标称轨迹。优化结果表明,不同初始速度条件下执行栖落机动的空间需求不同,但最终都可以实现以相同的栖落速度落到同一位置。     

基于Fw-H方程的直升机尾桨与涡线干扰噪声分析

本文通过对直升机尾桨噪声的机理进行分析,建立了尾桨与涡线干扰噪声的计算模型.计算模型中包括气动计算和声学计算,气动计算的结果作为声学计算的输入量.气动计算中分别采用三维非定常面元法计算桨叶表面压力和有扰动薄翼理论计算涡线干扰下桨叶的压力增量;声学计算中采用推导自FW-H方程的Farassat 1a公式,获得声压的时间历程.通过算例分析得到了一些有意义的结论.     

基于XML的飞行仿真气动力模型存储格式

飞行仿真获取气动力/力矩的传统方法主要是将气动力模型硬编码在仿真程序进行求解。由于气动力模型和求解程序耦合,一旦修正或更换气动力模型,需要花费大量代价来重新构建仿真过程,无法满足现代飞行器仿真的需求。根据气动力模型树形结构的特点,提出了气动力模型树的概念并基于XML语言的特点设计了一种模型存储格式（MBX）来存储气动力模型树。MBX存储格式不仅提高了飞行仿真系统更换和修正气动力模型的效率,而且提高了气动力/力矩解算的通用性,使得气动力/力矩的求解能够被标准化。MBX存储格式作为气动力模型交换标准不仅能把不同部门交换气动力模型的时间从几周/人缩短至几天/人,也能加快气动力模型逼近飞机真实气动特性的进程。     

A reduced order model for coupled mode cascade flutter analysis

A Reduced Order Model(ROM) based analysis method for turbomachinery cascade coupled mode flutter is presented in this paper. The unsteady aerodynamic model is established by a system identification technique combined with a set of Aerodynamic Influence Coefficients(AIC). Subsequently, the aerodynamic model is encoded into the state space and then coupled with the structural dynamic equations, resulting in a ROM of the cascade aeroelasticity. The cascade flutter can be determined by solving the e...     

1:10人-椅模型上肢的跨-超音速风洞实验

 本文介绍了1:10人椅模型上肢跨-超音速风洞实验的结果。测量了Ma=0.5～2.04和攻角10°～20°范围内上肢的阻力和侧向力。获得了在握扶手和拉中央环两种姿态下手臂的气动力特性。比较了穿衣袖与不穿衣袖两种状态下手臂的气动力数据。实验结果为确定人体上肢对高速气流吹袭的耐久限度和设计防护措施提供了重要的气动力数据。     

地效飞行器波浪地面飞行气动性能数值研究

 使用Fluent软件求解非定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用滑移网格技术数值模拟地效飞行器在波浪地面上方飞行的全机流场,研究波浪地面对气动性能的影响。在余弦波浪地面上方飞行,气动力呈现周期性,文中给出了一个周期内气动力的变化规律,分析了飞行高度和迎角对气动力平均值和气动力波动幅度的影响规律。一个周期内翼剖面的压力分布表明,波浪地面主要影响机翼下表面的压力分布,对机翼上表面的压力分布影响很小。