某典型飞行器模型俯仰/滚转两自由度耦合动态气动特性

先进飞行器在大迎角高机动飞行过程中,气动力复杂演化与运动姿态剧烈变化的相互作用,容易诱发俯仰拉起的滚转或侧偏等耦合运动,呈现出十分强烈的多自由度动态气动力特性。为此,选取某典型四代机修型设计模型,利用FL-26风洞专用的俯仰/滚转两自由度动态试验装置,开展了单自由度和俯仰/滚转两自由度耦合运动的动态气动力特性研究。结果表明,研究模型在迎角30°左右会出现滚转单自由度的侧偏和小振幅摇滚运动现象;俯仰单自由度振动条件下,模型法向力和俯仰力矩会出现明显的气动迟滞特性;在强迫俯仰/自由滚转（或强迫滚转）两自由度耦合运动情况下,模型的侧偏运动幅值得到了一定的抑制,但纵横向气动力都出现了迟滞现象,甚至是多个气动迟滞环结构,容易引发耦合失稳发散。     

2.4m跨声速风洞大振幅动态试验技术

现代先进飞行器在高机动飞行过程中,容易诱发非指令的多自由度耦合运动,呈现出复杂的动态气动力及耦合运动现象。为满足先进飞行器多自由度动态气动特性研究与试验评估的需求,中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所在2.4m×2.4m跨声速风洞建立了可以开展大迎角静态、单自由度俯仰振动、快速拉起、俯仰/滚转双自由度耦合运动等试验的模拟技术。通过典型的70°三角翼验证模型的试验研究,结果表明试验技术获取的试验数据合理可靠,变化规律正确,能够准确反映模型的动态气动力迟滞特性,实现了俯仰/滚转两自由度耦合大振幅运动的纵横向动态气动力测量,可以为飞行器的试验鉴定评估提供技术支撑。     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度耦合运动特性数值研究北大核心CSCD

耦合求解NS方程和刚体动力学方程数值研究了80°后掠三角翼强迫俯仰、自由滚转双自由度运动特性。内容包括:对比双自由度俯仰/滚转运动和单自由度滚转及俯仰运动特性的差异,研究动态俯仰角对三角翼滚转运动振幅和频率的影响以及三角翼双自由度运动条件下的气动力特性。结果表明:在动态俯仰角的影响下,细长三角翼不能形成极限环形式的振荡;俯仰运动的迟滞效应造成滚转振幅的变化落后于俯仰角的变化;俯仰耦合滚转运动将会导致飞行器升力降低,横向稳定性变差。     

一种近空间高超声速飞行器滚转稳定性研究

研究近空间高升阻比构型高超声速飞行器面临的复杂稳定性问题,对其机动飞行安全和操控具有重要意义。为此,通过静、动态风洞试验和数值模拟,开展了类HTV-2飞行器布局典型马赫数和迎角下,滚转方向静稳定性、单自由度和两自由度俯仰/滚转耦合运动动稳定性研究。结果表明：飞行器滚转方向为静稳定;自由振动的滚转单自由度运动为衰减振动曲线,动导数为负值,表现为动稳定;强迫俯仰/自由滚转两自由度耦合运动情况下,由于惯性力矩和非对称滚转力矩共同作用,导致滚转出现振幅周期性变化的极限环运动,甚至失稳发散。     

吸气式高超声速飞行器俯仰/滚转耦合运动特性

针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞机开展了进气道通流状态下俯仰/滚转耦合运动相关研究。通过数值模拟获得了滚转单自由度静稳定性、动稳定性以及强迫俯仰/自由滚转运动下的两自由度耦合动稳定性，研究了飞行器转动惯量以及俯仰运动频率对耦合运动的影响，简要分析了耦合运动的机理。研究发现虽然此飞行器具有滚转静稳定性和动稳定性，但是在强迫俯仰/自由滚转运动过程中，滚转通道却出现了小幅度振荡与大振幅振荡交替出现的情况，最大滚转角超过70°。小幅度振荡出现在正弦俯仰振荡的上半周期，其振荡频率随轴向转动惯量增加而降低，幅值随俯仰振荡频率增加而增大；大振幅振荡出现在下半周期，其幅值基本不变，而振荡频率与俯仰振荡一致。这种现象基本不受惯性耦合作用影响，可以认为是由气动力主导的。     

细长三角翼滚转/侧滑耦合运动效应分析

通过耦合求解NS方程组和刚体动力学方程组,数值研究了80°后掠三角翼自由滚转/自由侧滑的耦合运动特性。通过与单自由度翼摇滚特性比较,发现滚转/侧滑耦合条件下三角翼的摇滚现象更为剧烈:在相同的滚转角下,耦合运动的滚转角速度更大,具有相同角速度时,耦合运动所达到的滚转角更大。研究表明:滚转/侧滑耦合条件下,涡流的非对称迟滞振荡仍是维持三角翼周期性等幅摇滚振荡的流动机理;摇滚过程中法向力的侧向分力是产生侧滑运动的主要原因;左滚右侧滑、右滚左侧滑是三角翼滚转/侧滑双自由度耦合运动的作动机制;侧滑运动的引入,导致迎角和侧滑角随滚转角迟滞变化,强化了三角翼摇滚过程中的迟滞效应,加剧流动结构的非对称特性。     

滚转和锥进运动对弹箭动导数求解的影响

现有的弹箭动稳定性导数计算通常忽略了耦合运动效应的影响,而弹箭在实际飞行中,通常同时存在俯仰、滚转以及锥进运动。为此,本文提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而模拟弹箭俯仰滚转锥进相耦合的三自由度耦合角运动,在此基础上,通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;在耦合角运动状态下,弹箭气动力系数迟滞环发生明显的振荡和偏移,俯仰组合动导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化,且变化规律具有非线性特性。     

三角翼俯仰滚转耦合运动气动特性研究

介绍一套用于３ｍ 低速风洞的俯仰滚转两自由度大振幅非定常实验系统,并利用该系统对—三角翼单独俯仰和滚转及俯仰滚转耦合运动时的非定常气动特性进行了研究。结果表明,飞行器俯仰滚转耦合运动时的气动特性比单独俯仰和滚转时的气动特性复杂得多。     

方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟

飞行器从中小迎角至大迎角范围内,由于背风区流动分离形态的演化,静态气动特性特别是横侧向气动特性也随迎角显著变化,可能诱发复杂的滚转运动。但飞行器一般是上仰机动时,才从平飞状态快速拉起至大迎角,此机动过程对横侧向气动特性和滚转运动可能产生较大影响。本文发展了刚体动力学方程和Navier-Stokes方程的松耦合求解技术,并通过数值模拟航天飞机脱落碎片的六自由度运动轨迹进行了验证。针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器,数值模拟研究了其不同迎角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性,以及上仰机动时不同拉起速率对滚转运动特性的影响。结果表明,对于此飞行器,静态时存在临界迎角约为13°,当迎角小于临界迎角时,滚转方向是静不稳定的,诱发快速滚转运动;当迎角大于临界迎角时,滚转方向是静稳定的,其滚转运动是收敛的。但上仰机动时,滚转运动的形态还与拉起速率相关,即使拉起的终止迎角大于临界迎角,如果拉起速率较慢,也可能出现快速滚转运动。     

窄条翼导弹俯仰机动中滚转失稳及其控制过程

窄条翼布局导弹通常具有复杂的横向气动特性,在大迎角飞行及快速机动中很容易诱发出现滚转非指令偏离和连续振荡,可能导致飞行失控,影响落点精度。为了研究窄条翼导弹俯仰快速机动对滚转失稳的诱发过程及滚转失稳对俯仰机动控制效果的影响,并验证三通道解耦控制方法的有效性,针对典型俯仰机动过程,分别利用2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验平台和耦合气动/运动/控制的一体化数值计算方法开展了相关研究。结果表明,风洞试验和数值模拟均成功预测了俯仰拉起和保持过程中的滚转自激失稳运动及其引起的纵、横向耦合运动,针对该机动过程,三通道解耦控制方法能够有效抑制滚转运动,保持姿态稳定。     

洗出滤波算法在飞行模拟器中的应用

介绍了六自由度运动平台的洗出滤波算法及其在飞行器地面滑跑阶段的实现。根据飞行仿真模块的输出,通过坐标变换、比例限制、信号洗出和滤波等,形成运动平台的驱动信号。该算法在不增加系统硬件的前提下,充分利用液压缸现有行程,逼真地模拟飞机俯仰、滚转、偏航、升降、纵向和侧向平移运动。     

基于弹道模型的磁测系统偏航干扰误差分析

常规弹丸在使用地磁算法测量滚转角的过程中,常将偏航角设为0°解算弹丸滚转角。当弹丸在飞行过程中偏航角发生变化时,滚转角解算精度受到一定影响。针对偏航角变化带来的误差与多种因素有关,且规律不清楚。在建立偏航角误差系数的基础上,使用Matlab软件建立了弹丸在不同偏航角、俯仰角、射向条件下的误差模型。首先建立了横风修正的质点弹道模型,通过蒙特卡罗方法仿真弹丸的轨迹分布,分析了弹载环境下磁测算法的滚转角误差,并验证了误差系数的准确性。通过仿真验证,误差系数可以较准确地表示滚转角误差与偏航角变化之间的关系,误差系数计算的误差与理论误差的差值小于10%,为后续实弹试验做好理论准备。     

细长旋成体大迎角非定常运动数值研究

利用DES方法对处于非对称流态下的细长旋成体进行了俯仰和偏航振荡的数值模拟,观察细长体气动特性尤其是背风面非对称分离涡的变化。计算结果表明在大迎角非对称多涡系情况下,固定频率和振幅的非定常运动可以改变流场结构和气动力,对细长体背风面流态有巨大的影响。俯仰振荡对非对称分离涡有明显的控制作用,抑制流场的非对称性,使分离涡趋于对称;而固定频率的偏航振荡则破坏背风面分离涡的稳定性,激励非对称背涡产生随时间变化的周期性脱落。所进行的非定常运动与细长体流场耦合作用研究在国内外研究尚少。     

70°迎角定常飞行数值仿真

建立了带俯仰－偏航－滚转推力矢量高性能战斗机的非线性数学模型,利用该模型和Ｆ－１６飞机的气动数据,针对典型的大迎角定常飞行过失速机动的特点,结合逆方法和试凑法获得了各个操纵面的操纵规律,对其进行了数值仿真。结果表明,带俯仰－偏航－滚转推力矢量控制下,该飞机在过载为１,７０°迎角定常飞行时具有较好的操纵性和稳定性。     

小迎角高超声速非旋转钝锥非线性运动分析

采用分段拟合技术对小迎角高超声速(马赫数Ma=6)非旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验结果进行了分析,获得了非旋转钝锥在小迎角高超声速下气动导数非线性的具体形式,分析了非旋转钝锥在小迎角下的非线性运动特点。研究发现在小迎角范围内钝锥的动导数系数均呈现明显的非线性,而静导数系数非线性较弱,可近似为线性。各组试验的静、动导数系数的非线性形式表明,除模型Ⅱ外的其余模型均为两方向振幅不同的极限圆锥运动,模型Ⅱ为极限平面运动。每组试验两个平面的静导数系数在小迎角范围内保持基本相等。而无论出现极限圆锥运动的四组试验还是出现极限平面运动的一组试验,模型在俯仰和偏航两个方向的动导数系数均存在较大差异。     

80°／65°双三角翼滚转稳定特性预测研究

在FL-23风洞中开展了80°／65°双三角翼大迎角下的滚转特性研究．包括静态测力试验．动导数试验和自由滚转试验,通过静态测力试验及动导数试验获得了双三角翼模型在大迎角条件下的滚转力矩特性以及动导数特性,从而对双三角翼大迎角条件下的滚转运动特性进行了预测．最后通过自由摇滚试验对预测结果进行了验证。研究结果表明随着模型迎角的增加,双三角翼呈现不同的滚转运动形态,包括静态稳定、舣周期震荡、准极限环摇滚．通过静态气动力及动导数可以较准确地对模型的运动形态及对应的迎角范围进行预测。     

Installation error calibration for MEMS angular measurement system in hypersonic wind tunnel

The accuracy of model attitude measurement has an important impact on wind tunnel test results. Microelectromechanical System Inertial Measurement Unit (MEMS IMU) provides a feasible way to measure model attitudes with high accuracy. However, the installation error between MEMS IMU coordinate system and the body coordinate system of test models can make the accuracy of the model attitude measurement decrease. In wind tunnel tests, the installation error depends on the relationship between the IMU and the model mechanism before tests. Therefore, in-field calibration in wind tunnel tests is necessary to reduce installation errors. To improve attitude measurement accuracy, the least squares quaternion calibration method based on MEMS IMU and six-position calibration procedure are proposed. High-precision three-axis turntable tests are performed. The pitch accuracy after calibration is higher than that before calibration in the angle of attack sweeping tests. The Root-Mean-Square Errors (RMSE) in the roll and yaw are within 0.01°, which are smaller than those before calibration. In the roll sweeping tests, RMSE of three attitude angles decrease significantly. In hypersonic wind tunnel tests, the pitch errors before and after calibration are within 0.05° and 0.02° in the angle of attack sweeping tests without wind. In five angle of attack sweeping tests with wind, the deviation between the mean of the pitch and the pitch after the elastic angle correction is within 0.03° and the standard deviation of five tests is within 0.01°. The proposed method is confirmed to enhance the accuracy of attitude measurement effectively, which is convenient for engineering applications.