外挂物发射／投放轨迹的计算预测

外挂物发射／投放技术在如今对航空界的发展起着非常重要的作用，能准确预测外挂物与母机分离后的运动轨迹，无论对母机的安全还是对打击目标的准确度都有着重大的意义。本文分两部分：第一部分主要介绍使用龙格—库塔法解外挂物运动的六自由度方程，预测外挂物离开母机后的飞行轨迹，并将之应用到我院的CTS试验当中；第二部分使用MGFPI软件预测外挂物投放后的运动轨迹，以便在CTS试验过程中对试验起到指导改进的作用。     

捕获轨迹法在××无人机投放试验中的应用

介绍一种投放外挂物脱离母机状态的风洞测力试验和飞行轨迹分析融于一体的“捕获轨迹”方法。该方法能较精确地获得外挂物在复杂干扰流场中所受的空气动力和力矩，实时地提供离机后的轨迹和姿态，预测了无人机和母机之间飞行是否相容的问题。全尺寸的飞机投放试验表明，“捕获轨迹”技术是一种精确预测外挂物分离特性的方法，解决了大展弦比无人机安全离机的关键问题。     

捕获轨迹系统并联机构地面标定方法

捕获轨迹系统（CTS）是一种先进的预测外挂物投放轨迹的试验系统，普遍采用六自由度（6-DoF）串联机构作为其运动机构，串联机构因惯性力大和关节累积误差大使其定位精准度不足。相比串联机构，并联机构具有惯性力小和关节误差不累积等优点。采用6-PTRT并联机构作为CTS试验系统的六自由度运动机构，在空间受限的风洞环境中对CTS并联机构进行地面标定：提出动平台位姿的测量和计算方法，建立包含直线驱动平台安装夹角修正的标定模型，并基于非线性最小二乘法辨识结构参数。辨识后CTS并联机构的位移定位准度优于0.1 mm，姿态定位准度优于0.05°，最后以CTS并联机构和常规攻角机构进行8#标模的对比风洞试验。风洞试验结果表明，CTS并联机构的风载定位准度满足测力试验精准度要求。     

飞机外挂物投放安全性的参数影响分析

研究了飞机在不同飞行高度、速度和姿态下,不同外挂物质量对投放安全性的影响。采用CFD方法计算外挂物所受气动力,通过六自由度刚体动力学方程计算外挂物的投放轨迹和姿态变化。准定常方法在计算外挂物下落轨迹的每个步长内,认为外挂物和载机都处在定常流场中,载机在投放过程中保持原有运动状态。通过算例给出了典型外挂物在不同速度、高度、姿态下投放的运动轨迹,分析了对安全投放有重要影响的因素,提出了减少外挂物投放风险的建议。     

载机投放外挂物低速风洞模拟技术

本文介绍在低速风洞中进行载机投放外挂风洞试验模拟原理,模型设计,试验方法和结果处理,并讨论载机行飞高度,飞行速度和飞行姿态角诸参数对外挂物安全投放及其下落轨迹的影响。     

1.2m高速风洞CTS装置新控制系统及其应用研究

为了满足当前目益增多的外挂物捕获轨迹试验的需要，急需提高1.2m高速风洞CTS装置原控制系统的可靠性和稳定性。采用以工控机为核心，以5650伺服控制器和PDC伺服驱动单元为主要模块的控制系统，代替了原来以单板机为核心的控制系统，并已成功地应用到多项型号分离轨迹试验中，风洞试验表明，新的控制系统有其突出的特点，其稳定性，可靠性，位置控制能力和试验效率均有较大的提高。     

基于双闭环速度控制的捕获轨迹系统

中国现有高速风洞捕获轨迹（CTS）试验采用闭环形式的位置控制方式,外挂物模型处于间歇式运动模式,导致试验效率较低和可能出现“假碰撞”。鉴于此,提出了一种双闭环速度控制策略,通过建立外挂物模型的气动力/力矩误差控制环,动态产生最优速度变换尺度,在试验过程中始终以外挂物模型运动速度为控制目标,实现了CTS试验速度控制方式。地面仿真和风洞试验结果表明：双闭环速度控制策略原理正确,获得的轨迹与位置控制方式具有较好的一致性,而且克服了可能出现的“假碰撞”现象,试验时间缩短一半,数据重复性好,获得的轨迹数据信息大幅增加。证明该双闭环速度控制策略具有广阔的应用前景。     

飞机发射及投放外挂物过程的数值模拟系统——China-SSP(2)

我国自行研制的飞机纵向飞行外挂物发射及投放过程的数值模拟系统主要由3个独立的子系统和总控程序组成,各个子系统在总控程序的控制下协调地反复加载运行。各个子系统之间的数据通过数据文件传输。此外,还配有前、后置处理功能,可提供数据、曲线、屏幕动态显示等。AERA子系统采用面元法计算飞机的气动特性及外挂物所在处的非均匀流场。AERS子系统采用面元法与工程估算相结合计算非均匀流场中外挂物的气动特性。FLIM子系统计算外挂物分离前的平衡条件及飞机和外挂物的轨迹、姿态(包括它们之间的相对轨迹和姿态),并进行安全性判断。整个…     

带控制律CTS试验的实现

FL24风洞在国内首次进行了带控制律的CTS试验，这是改进捕获轨迹试验方式的一次探索。文中对国内外研究现状，试验技术原理，实现过程进行了阐述，试验结果表明在加控制律的CTS试验中导弹的滚转角和偏航角输出趋势稳，呈有控状态。     

风洞模型投放试验轻模型法重力效应影响

风洞模型投放试验是研究超声速机弹分离问题的一种有效手段，相似参数的选取是影响试验准度的关键因素。有初始弹射速度的超声速机弹分离研究中，通常采用"轻模型法"得到模型的运动学及动力学相似参数，但该相似参数中模型重力模拟不足。为了研究重力效应对投放试验结果的影响，采用CTS试验技术对全尺寸真实参数与缩比尺寸轻模型法相似参数条件下得到的结果进行了对比研究。研究结果表明：在载弹与载机分离过程中，载弹位姿相互耦合，垂直下落位移的快慢会影响载弹姿态角的变化；轻模型法相似参数条件下，载弹垂直下落位移较慢，虚拟重力的修正方法只能近似修正下落位移，不能对导弹姿态角进行修正，而姿态角会影响下落的位移；机弹分离安全性方面，轻模型法相似参数条件下的试验结果较真实参数偏危险。     

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。     

高速风洞投放模型试验技术的关键问题及应用领域

基于高速风洞投放模型试验的经验,论述和总结了对试验技术的实际应用较为重要、且对试验结果有较大影响的几个关键问题：相似准则的选取问题、投放分离参数的模拟问题、风洞启动时流场对投放物模型的冲击载荷问题以及数据处理方法,分别对这四个问题的具体选取原则和处理方法进行了详细的总结和分析。重模型法能够确保模型投放轨迹的严格相似,但实用性较差;而轻模型法则正好相反。由于重模型法在实际使用中通常难以应用,因此轻模型法在风洞投放模型试验中获得了较多应用,但其模型垂直加速度不足的问题也需引起重视。投放分离参数的相似模拟,通常可通过采用弹簧或气缸提供的投放作用力来实现,弹簧具有简单、易行的特点,但模拟的准确性稍差;而气缸则正好相反。风洞启动时流场对投放物模型的冲击载荷问题常常能够影响到试验的顺利进行或影响试验结果。数据平滑处理可采用时间多项式拟合来实现,进而通过一次或二次微分获得气动力系数。对高速风洞模型投放试验的应用领域作了总结和介绍,将其分为飞机外挂物/内埋武器投放、子母弹抛撒/重块抛撒,以及头罩/导弹壳片分离三大类型试验,并对每一类试验在具体的试验技术,以及在上述几个关键问题上的特点分别作了介绍,给出了具体试验的图像和曲线。     

外挂物投放技术的数值模拟

应用Icemcfd和Cart3d软件对飞机投放外挂物的流场进行了数值模拟：对欧拉方程用有限体积法进行离散，运用自动及人工干预网格细化、多重网格技术的加速收敛、自动位置和网格更新的六自由度投掷分析，得到外挂物的分离轨迹。计算结果与AEDC的试验结果作对比，两者吻合较好。     

EOMS光电经纬仪系统

EOMS光电经纬仪系统主要用于中近距离范围内飞行器轨迹及姿态的测试。该系统可对飞行目标进行单杆半自动和电视全自动跟踪；采用了GPS，可使外测参数和内测参数实现精度时间同步。通过外场测试和初步飞行试验证明该设备具有测试精度高，能进行TV实时测量等优点。     

基于动态嵌套网格的飞行器外挂物投放的数值模拟

运用Euler方程和六自由度动力学方程数值模拟了外挂物投放的气动特性与运行姿态和轨迹。为了模拟外挂物从飞行器分离后的绕流特性和相对运动，采用了动态嵌套网格技术，并发展了一种洞边界建立和外边点的插值单元搜寻蛇行法，提高了计算效率。通过算例，证明了本文方法的有效性和合理性。     

基于嵌套网格的内埋物单侧投放影响研究

内埋物投放分离技术是新一代飞行器研制的关键技术之一。首先，基于动态嵌套非结构网格耦合求解流场非定常N-S方程和刚体动力学方程，实现了内埋物投放的精确模拟；然后，研究载机不同飞行姿态对内埋舱内左侧无挂载、仅右侧挂弹投放过程的影响。研究结果表明：正迎角工况对弹体投放分离影响较小，负迎角工况将引起弹体有较大的反方向的横向运动和偏航；负侧滑工况对弹体投放影响较小，正的小侧滑角工况下，在投放分离过程中弹体气动力和气动力矩存在较强的脉动变化；随着侧滑角进一步增大，弹体气动特性的脉动变化减小。     

基于视觉的空投系统姿态获取及解算技术研究

空降空投技术是空军装备发展的基础,为使远距离投放的空降装备平稳着陆,需获取货台模块的姿态数据,以实时调整降落姿态避免着陆侧翻事故。本文设计开发了一种基于视觉的方法来解算空投货台姿态,以准确地估计空投货台在空投降落过程中的姿态。空投系统的降落距离分为远地160m和近地20m两个阶段。设计了不同尺度的标志作为不同降落阶段的视觉参考,有效地提高了空投货台的自主降落高度。当空投货台初始降落高度为160m时,利用合作目标的固有几何性质识别环境中的整体合作目标;当到达近地面20m时,利用Hu不变矩作为地面辅助特征筛选出中心合作目标,最后利用单应性对空投货台的运动进行估计。该算法有效地提高了空投货台姿态解算技术的准确性、实时性和鲁棒性,也满足了空投货台实时姿态精确计算的要求。试验结果表明了基于视觉的空投货台姿态解算技术的意义和可行性,具有较好的应用前景。     

TSTO级间分离气动特性数值仿真分析

两级入轨（TSTO）重复使用飞行器并联级间分离是一二级飞行器设计必须考虑的关键因素。采用国家数值风洞工程通用CFD软件NNW-FlowStar，基于各向异性非结构混合网格及重叠网格技术，研究了TSTO在侧滑角下的并联级间分离过程。软件通过自主改进的Roe熵修正方法、节点高斯梯度算法实现高超声速流场的精细模拟，运用“物面相交”准则实现多套网格间的并行挖洞。采用双时间步求解非定常分离过程，内迭代计算采用LU-SGS方法。文中首先采用WPFS投放标模验证了软件在常规分离投放方面的数值模拟精度；然后模拟获得TSTO组合体定常气动特性，分析了不同攻角下一二级的气动特性以及可能的安全分离状态；最后数值模拟了TSTO在负攻角、正侧滑角下的并联级间分离过程，与对应的CTS试验结果比较，两级质心位移的计算值和实验值随时间变化具有很好的一致性，偏航角及俯仰角在变化规律和量值上比较吻合，表明软件具备升力体并联级间分离类问题的数值模拟能力。     

无动力滑翔弹最优抛射初始条件研究

从研究无动力滑翔弹的可攻击区大小及相应的6-D飞行轨迹角度出发,基于无动力滑翔弹运动学与动力学和中/末制导律的数学模型,通过不同初始投放条件的组合(投放高度、投放速度、投放角度),计算了大量的可攻击区及相应的6-D飞行轨迹,比较了不同组合情况下的可攻击区大小及相应的6-D飞行轨迹,得出了一组无动力滑翔弹最优初始投放条件数据.     

采用流动控制的超声速内埋物投放特性研究

针对马赫数Ma3飞行状态下的内埋物安全投放难题,提出了两种适用于非平坦舱体外形的超声速内埋物投放分离过程的流动控制方法:第一种方法采用了圆棒扰流器,第二种方法采用气帘喷流。为了验证两种不同流动控制方法的效果,引入结构嵌套六自由度动态网格技术和基于k-ω湍流模型的Navier-Stokes方程计算,对包括重力投放、弹射投放、采用圆棒扰流器的重力投放和采用气帘的重力投放等4种不同的投放分离状态进行了动态全过程的计算对比分析。通过对仿真计算结果分析发现,当来流马赫数Ma∞3时,采用流动控制的投放物分离运动特性产生了明显的变化。由投放物下落过程中的俯仰偏航特性可以得出:采用圆棒流动控制有利于安全分离;气帘流动控制具有应用潜力,但采用这种方法需要针对特定的投放条件进行优化,否则可能诱发投放物在俯仰方向的姿态发散。