飞机螺旋运动测量技术的发展

立式风洞是研究飞机尾旋与尾旋改出的特种设施。由于尾旋试验模型的大小受限于风洞的试验段尺寸和流场的边界条件,较难在模型内部安装测量系统,早期均采用外部系统对处于螺旋运动状态的飞机模型姿态进行捕捉、辨识,进而分析飞机的尾旋特性与改出特性。随着材料科学、智能加工技术和信号传输技术的发展进步,测量系统向模块化、微型化和超微型化发展,使得测量机构能够安置于飞机模型的内部,这样不仅可以实时测量数据并记录,不需要到试验后才进行判读和辨识,而且所测量的数据更加完整。     

基于非接触测量技术的低速风洞连续扫描试验技术研究

基于Optotrak非接触光学测量系统,建立了风洞试验模型三维姿态角测量方法,实现了模型姿态角的高精度、实时、外触发时钟同步测量。基于该方法测量模型三维实时姿态角,在FL-14低速风洞开展了张线尾撑下YF-16飞机1∶9标模纵、横向连续扫描测力试验。试验结果表明,在0.3°/s的扫描速率下,连续扫描与步进试验数据比对一致性好,各气动分量同期重复性达到国军标合格或先进指标。连续扫描试验获得了更为详尽完整的气动特性信息,同时显著提升了试验效率。     

绳系并联支撑飞机模型绕速度矢量旋转运动设计与模拟

绕速度矢量旋转运动风洞试验是研究战斗机尾旋和大迎角复杂机动特性的一种重要手段，其中模型支撑是关键。创新性地设计了基于六自由度绳系并联支撑的旋转运动方式。提出定旋转角速度和定气流角2种旋转运动设计方法，推导得到旋转运动参数与模型位姿之间的关系式，并给出两者的关联；结合支撑系统动力学模型，设计绳长为控制变量的计算力矩控制律。通过ADMAS软件仿真和原理样机试验验证，结果表明所提设计方法可以实现飞机模型绕速度矢量变气流角定速率、定气流角变速率等复杂变参数旋转运动，且定气流角方法既能满足三自由度定耦合比关系，还能准确地模拟战斗机正飞/倒飞尾旋运动，这将为深入研究尾旋和大迎角机动特性提供技术支持。     

尾旋自动防止系统非线性解耦控制律综合方法

将非线性解耦控制理论应用于飞机尾旋自动防止系统中,给出一种考虑尾旋动态特性的解耦控制律综合方法。根据某架现代战斗机的数学模型,用这种方法设计了用升降舵、副翼、方向舵对迎角、侧滑角和滚转角速度解耦的尾旋自动防止控制律。相应的闭环系统数字仿真取得了满意的效果     

飞机积冰厚度无标尺实时测量技术

通过对现有积冰厚度测量方法的分析,提出了一种基于激光斑点的无标尺测量方法。该方法采用一台激光器和两台摄像机组成一套三维测量设备,根据两台摄像机中激光光斑的位置,通过影像计算得到其三维坐标,从而得到飞机表面的三维外形。在此基础上,构建三角网(TIN)模型。通过计算搜索冰面点到TIN模型的最短距离得到积冰厚度。实验结果表明,该方法的测量精度可以达到毫米级,数据处理速度可以达到3~5fps。     

T型尾翼颤振模型光学测量实验与弯扭特性解算

在FL-26跨声速风洞半模试验段进行了某高速飞机T型尾翼颤振模型的光学测量实验,并依据测量结果解算了尾翼颤振模型的弯扭特性。颤振模型表面用白色圆点进行标记,用于记录模型表面的位移变化,两台固定在风洞试验段上壁板观察孔旁肋板上的400万像素工业相机用来采集图像,采集到的图像通过自主开发的图像解算软件进行图像的识别与求解,计算出尾翼颤振模型表面标记点的三维坐标。模型表面标记点的三维坐标通过坐标变化转换到风洞气流坐标系中,利用不同时刻模型表面坐标的变化计算模型剖面扭角和弹性轴位移的分布。T型尾翼右平尾图像采集实验与弯扭特性计算结果表明,非接触光学测量技术可以用于高速颤振试验的定量分析中。     

立式风洞尾旋技术改进及试验验证

为降低立式风洞尾旋试验系统对飞机自由尾旋试验结果的影响,开发了一套适用于尾旋模型的舵面遥控系统、优化了模型悬挂系统,研究了悬挂系统对飞机尾旋特性的影响。研究结果表明：研制的模型操纵面控制系统具备任意操纵面组合偏转的能力,可以满足飞机尾旋试验要求;悬挂系统各部件重量和外形变化对旋转角速度略有影响,对飞机尾旋迎角、尾旋改出方法、尾旋改出圈数等影响很小。     

基于单数码相机自由拍摄的空间点定位

 提出并实现了一种空间点定位方法。该方法仅用一台数码相机围绕目标进行多角度自由拍摄获得多帧图像,采用一套具有身份唯一性的标记点实现多图像间点的稳定匹配;在此基础上根据多视图几何约束,精确计算各次拍摄时的相机姿态和位置;进而求解目标点的三维位置信息,并对结果进行优化。实验表明空间点定位的相对误差优于0.03%。该方法所用设备十分简单,操作方式非常灵活,适用于大型物体多视角测量的拼合、某些情况下的装配检查等,也可直接用于较规则构型物体的三维数据获取与CAD模型重建。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

MИГ—23飞机尾旋试飞体会

ＭИГ－２３飞机是一种变后掠翼战斗机，它的尾旋动态及改出的尾旋的方法很复杂，根据在该机上进行的四次尾旋飞行试验，叙述其尾旋进入的方法，尾旋中的动态和改出尾旋的方法，并举出三个典型的尾旋模态实例，详细记述整个尾旋过程和进行分析，说明ＭИГ－２３飞机尾旋动态的复杂性及其表现出的特点，最后，提出了几点在判断和改进ＭИГ－２３飞机的尾旋时应注意的事项。     

Three-Axes Attitude Determination of Spacecraft Using a Laser

A new method for attitude determination of spacecraft is proposed. The distinctive feature of this method is the ability to determine with high accuracy three elementary angles of the attitude by detection of the electromagnetic wave transmission from a single point. The system consists of a transmitter of a linearly polarized laser beam on the earth (or spacecraft) and receiving equipment on a relevant spacecraft. When the system is used for geosynchronous satellites, the possible accuracies of determination are 10-4 rad or higher for the angles which correspond to roll and pitch, and 10-2 rad or higher for the angle which corresponds to yaw, with the period of 1 s. The system margin for atmospheric attenuation is estimated to be about 50 dB (midnight) to about 20 dB (midday) on the basis of commercially available components. Consequently, it becomes possible to orient antennas or detectors toward arbitrary points around the laser transmitting point on the earth with a high pointing accuracy.     

一种获取飞机RAT带载能力的试飞方法

飞机RAT的实际带载能力不仅取决于飞机空度,而且受到飞行姿态的制约,很难用理论公式准确推算。提出了一种飞行试验方法,分析特定的试飞测试数据,可获得飞机RAT的实际带载能力。试验包括RAT平飞带载和RAT侧滑带载两部分试飞。通过RAT平飞带载试验,得到不同重量下的RAT空速与飞机空速的关系曲线;通过RAT侧滑带载试验,可得到不同侧滑角飞行下RAT空速与飞机空速的关系曲线。结合试验结果,可以确定飞机在任意重量和飞行姿态下的RAT空速,进而获知RAT实际带载能力。     

Angular velocity determination of spinning solar sails using only a sun sensor

The direction of the sun is the easiest and most reliable observation vector for a solar sail running in deep space exploration. This paper presents a new method using only raw measurements of the sun direction vector to estimate angular velocity for a spinning solar sail. In cases with a con-stant spin angular velocity, the estimation equation is formed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector;the least-squares solution is then easily calculated. A performance criterion is defined and used to analyze estimation accuracy. In cases with a variable spin angular velocity, the estimation equation is developed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector and the attitude dynamics equation. Simulation results show that the proposed method can quickly yield high-precision angular velocity estimates that are insensitive to certain measurement noises and modeling errors.     

空间失效慢旋卫星视觉特征跟踪与位姿测量

空间碎片或者失效卫星往往绕其惯性主轴做自旋运动,虽然处于一种稳定状态,但是对其运动状态测量的难度相比三轴稳定目标而言又增加了许多,主要体现在复杂光场环境下和目标观测面周期性进出视场引起的特征点丢失、尺度变化和旋转变化,以及长时间连续观测引起的累积误差增大、位姿解算不收敛等难题。通过构建优化目标特征数据库,将传统测量方式中前后帧的匹配转变为当前帧与特征数据库的匹配和特征点的优化,即使中间过程帧出现了偏差仍然可以较好地跟踪后续图像帧的正确位置。在李代数空间下建立位姿向量微分扰动方程,获得测量值与估计值的残差目标函数,基于贝叶斯法则最大后验概率和李群与李代数的对指变换法则,求取位姿向量最优解。解决了李群空间下由于位姿变换矩阵不可加性而无法优化的问题,提高了连续测量过程中系统的测量精度。实验结果表明,无优化测量方法无法保证整个旋转周期的有效测量;通过增加位姿优化过程,连续稳定测量时间明显延长,针对以12（°）/s自旋运动的目标,测量稳定段误差在2°以内,旋转角速度测量误差为0.12（°）/s。     

长航时高精度惯导系统姿态阵的四种解算方法

高精度惯性导航系统是保证水下或水面运载体长时间安全航行及搭载的仪器设备正常工作的关键技术之一,姿态阵解算是其核心问题。通过分解姿态阵以及分别采用Euler角和四元数描述姿态参数,建立解算姿态阵的四种方法;分别对这四种方法中的姿态模型进行扰动,并研究相应线性化误差模型的精度及其影响因素;利用数值仿真法对四种姿态解算方法的结果及对应的线性化误差模型的精度进行了比较分析,结果表明:姿态阵解算分解法显著差别于整体法,采用Euler角或四元数描述姿态参数对姿态阵解算精度的影响不显著,分解法对应的线性化误差模型的精度优于整体法。     

基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测

为了解决航空发动机涡轮叶片气膜孔几何特征参数有效检测手段缺乏、测量结果一致性差的问题,设计并搭建了基于光纤复合测量技术的涡轮叶片气膜孔检测系统,提出了利用该系统对涡轮叶片气膜孔进行测量的方法,通过试验进行了方法验证。搭建的系统为多传感器测量系统,具备叶片接触与非接触测量、空间姿态定位及3D投影能力,实现了涡轮叶片全范围气模孔的测量。在试验中,选取高压涡轮叶片作为被测物体,应用该测量系统对叶片上的气膜孔进行了测量,计算得到了气膜孔直径、轴线角度及位置度的准确信息。结果表明：通过测量不确定度的分析评定可知,该系统对气膜孔直径、位置度的测量不确定度均小于0.01 mm,完全满足设计公差对测量仪器的精度要求,可以用于涡轮叶片气膜孔工程化测量。     

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.     

JJ5飞机中空意外进入尾旋的研究

首先分析了ＪＪ５飞机中空意外进入尾旋的原因,说明了意外尾旋的特点。其次,估算了Ｊ空意外尾旋各阶段的高度损失,计算了尾旋最低安全跳伞高度。重点分析了尾旋同的机会,并指出了尾旋安全跳伞时机,最后,根据多年来ＪＪ５飞机高空尾旋飞行成功的经验与体会,以及近年来中空意外尾改出成功率低的实际情况,提出了几点建议,人飞行人员参考。     

重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动

建立了自旋稳定卫星姿态摄动的数值分析方法及模型,对重力梯度力矩作用下自旋卫星自旋轴相对于地心惯性系进动和章动以及赤经和赤纬的变化进行了仿真分析。对重力梯度力矩引起的自旋稳定卫星姿态摄动的演化规律进行了研究。指出在重力梯度力矩的作用下：自旋轴指向绕轨道面法线进动;章动角速度远小于进动角速度;轨道角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越大,赤经和赤纬的变化率越大;自旋角速度越大,星体相对于地心惯性系的进动角速度和章动角速度越小,赤经和赤纬的变化率越小。     

基于流场感知的小型飞行器姿态控制

小型飞行器由于外形尺寸等限制很难实现理想的姿态控制，而自然界中的鸟类却可以完成高质量的飞行，原因是它们能够获得自身周围的气流信息。受这些自然现象的启发，设计了一个基于流场感知的小型飞行器姿态控制系统。通过流场感知的气流信息（压力和剪应力）可以计算出气动力和力矩。建立了一种小型飞行器的非线性三轴姿态动力学模型，将力矩信息引入姿态运动，然后利用非线性模型预测控制来设计姿态控制器。与传统的控制方法相比，这种新型控制方法不需要从气动实验获得的先验信息，所用的参数都是由在线测量得到的数据计算得出的，因此能及时感知外界环境变化并减少响应时间。仿真结果表明，该控制方法可以提高小型飞行器在复杂流场环境下姿态控制系统的性能。