简论风洞试验数据到飞行数据修正体系

通过对国内外“风洞试验与飞行相关性研究”成果的文献调研,简单归纳了从风洞试验数据到飞行数据的修正体系应包含的大致内容,并从工程实用的方面对雷诺数修正方法进行了介绍。     

湍流数据同化技术及应用

近年来数据同化（DA）被引入湍流动力学研究中,通过融合实验测量和数值计算,提高了实验测量的精度和广度,改善了数值模拟的预测性能。实验观测、预测模型和同化算法是数据同化的三要素,湍流研究中的实验观测包括热线风速仪、粒子图像测速法（PIV）、压力传感器等局部测量数据,预测模型主要指流动控制方程及湍流封闭方程,而同化算法包括贝叶斯推断、集合卡尔曼滤波（EnKF）、伴随等。稳态数据同化一般结合雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型方程,从重新标定模型常数、修正涡黏模型方程形式误差、修正雷诺应力项等方面着手。非稳态的数据同化一般包括四维变分（4DVar）等时间连续的数据同化方式以及顺序数据同化。4DVar通过时间正向和逆向积分迭代,存储量和计算量都非常大。顺序数据同化不需要时间逆向积分,可以在若干时刻对实验观测进行间断地植入,正向求解整个系统。另外,随着人工智能的飞速发展,湍流数据同化研究也向智能化迈进。对于纯数据驱动的湍流机器学习,其缺乏物理本质的约束,而基于物理信息的机器学习在物理本质上与数据同化是一致的。     

模型实时驱动的航空发动机沉浸式虚拟运行系统

为实现多学科信息的融合与沉浸式表达,针对当前虚拟现实技术在航空发动机领域的应用存在多学科信息综合表达不 足、仿真实时性低等问题,开发了一种跨学科异构模型集成仿真的航空发动机沉浸式虚拟运行系统。在信息融合与实时交互方 面,研究航空发动机气动热力性能实时仿真、实时控制、参数化结构建模与仿真、数据实时共享与多学科联合仿真集成等技术,实 现了模型实时驱动的航空发动机虚拟运行功能;在数据可视化及3维渲染方面,研究结构数据轻量化处理技术、实时渲染优化技 术,对温度、压力等流场数据进行实时映射,实现了逼真、流畅的沉浸式实时渲染效果。基于上述研究工作,在中国首次开发了1 套由模型实时驱动、跨学科数据集成的航空发动机沉浸式虚拟运行系统,结果表明：该系统实现了发动机结构、系统和性能模型数 据的关联与交互。相关技术和成果可用于协同设计、沉浸式评审、虚拟培训等场景,为未来实现数字孪生、虚实融合的数字发动机 研发提供关键技术支撑和参考。     

大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆关键技术

高焓激波风洞的驱动技术决定了风洞总焓和总压试验能力。重活塞压缩加热技术具有驱动性能强和运行灵活性高等特点,是高焓激波风洞关键驱动技术。针对重活塞发射效能、重活塞与壁面摩擦、膜片破膜等情况带来的大尺寸重活塞难以安全软着陆问题,通过理论分析、动网格数值模拟和试验验证相互结合的手段,分析了重活塞实际运动过程的影响因素,建立了重活塞调谐运行方法,获得了稳定的驱动压力,可为不同的模拟需求提供对应的试验状态。研究了质量为205 kg、275 kg的重活塞在压缩管中运行最高速度分别超过350 m/s、450 m/s的软着陆过程,获得了压缩管末端总压15 MPa、总温3 450 K和总压45 MPa、总温4 845 K的定压试验状态。本研究解决了大尺寸自由活塞激波风洞重活塞软着陆难题,保障了世界最大尺寸自由活塞驱动的FD-21高焓激波风洞中、质量为数百千克的重活塞、在长度为75 m的压缩管中的运行安全。     

基于卡尔曼滤波的翼型表面压力实时重构方法

为实现基于稀疏数据的翼型表面压力实时重构,提出了一种基于压缩感知与卡尔曼滤波器的数据融合方法,该方法主要包括线下建立数据库和线上实时感知两部分。首先,在线下通过粒子图像测速技术、压敏漆、计算流体力学等方法对翼型表面压力进行全场采样,并采用本征正交分解对所测得的全场压力数据进行降维,建立含有主导相干流动结构的模态数据库以及各模态时间系数之间的状态转换关系。其次,在线上基于压缩感知,利用离散压力传感器所测量数据与压力场主导模态,通过求解L₁范数下的最优化问题,对各主导模态的时间系数进行初步求解。最后,将线下所得各模态时间系数之间的状态转换关系放入卡尔曼滤波器,作为其系统模型进行预测;将线上所求得各模态时间系数放入卡尔曼滤波器,作为其观测值进行校正。以CFD模拟翼型压力作为验证数据,对该方法的性能进行评估,结果显示：该方法与仅采用压缩感知进行重构对比,升力重构误差从18.15%减小至6.39%。     

经典跨声速翼型RAE2822数据分析

经典跨声速翼型RAE2822风洞试验数据长久以来被广泛用于CFD计算方法和软件的验证与确认,但是数据的正确使用或者说合理使用仍存在一些需要研究和注意的问题,包括计算网格、风洞试验数据修正、中弧线修正、翼型几何定义和建模,以及摩擦阻力系数和边界层速度剖面的原始定义等。在开展CFD研究之前,必须首先对计算方法进行验证,尤其是要先尽可能消除计算结果对计算网格的依赖性;经过对目前可开放使用的计算网格的不足之处进行分析,研制了一套高品质的计算网格并获得了预期的一阶网格收敛性;通过计算软件交叉验证,进一步确保所用计算软件的可信度。在将CFD计算结果与翼型风洞试验数据进行比对时,通常需要对马赫数和攻角进行修正,且如何修正是一个需要持续研究的问题;翼型中弧线修正是一种有效的方法,但需要考虑流动参数的影响。原始翼型几何构型采用有限离散点定义,计算网格生成过程中需要采用插值方法布置型面网格点,不同插值方法对于翼型前缘附近流动的数值模拟有细微影响。多数相关研究工作只比对压力分布;少数研究工作会比对摩擦阻力系数、边界层及尾迹速度剖面,但在比对时,需要注意原始风洞试验相关参数定义与CFD计算常用定义的区别。     

视觉与惯性融合的多旋翼飞行机器人室内定位技术

随着人工智能技术的发展,无人机的应用场景趋向多元,人们对无人机的需求也不仅仅满足于简单的飞行任务,而是赋予其飞行机器人的角色,对其自主导航、复杂环境下的定位以及智能协同方面提出了更高的要求。针对室内场景下的定位需求,融合视觉与惯性数据实现了多旋翼飞行机器人的室内定位。在视觉前端加入图像增强算法以提高图像灰度对比度,减少了光流跟踪的误匹配点数。提出了一种基于图像信息的特征点提取和图像帧发布策略提高了定位精度,解决了室内环境下的定位漂移问题。针对飞行机器人室内自主跟踪及降落任务,设计了基于视觉定位的飞行机器人自主降落系统。在Gazebo中搭建飞行机器人模型仿真验证自主降落系统有效性,在EuRoC数据集下对定位算法进行对比评估,搭建飞行机器人平台在真实场景下进行室内定位实验,完成了室内场景下平台自主跟踪及降落任务,并采用运动捕捉系统获取的定位真值数据进行了误差分析,结果表明该定位技术满足室内场景下的自主跟踪及降落任务需求。     

MEMS固体微推力器阵列驱动控制系统设计与试验

为了实现MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)固体微推力器阵列准确可靠点火,阵列单元的点火驱动控制显得尤为重要。设计了驱动控制系统,由电源模块、驱动模块、10×10规模固体微推力器阵列模块、控制及通信模块组成,并分别对各个模块的设计进行了介绍。通过把各个模块进行一体化,设计了整机结构,并制备了原理样机。最后对原理样机进行了电爆试验、点火试验以及冲量测试试验,试验表明所设计的驱动控制系统功能完备,能够对阵列单元准确点火以及多单元同时点火,具有很高的可靠性,点火成功率100%。     

一种可靠的MDIO接口逻辑设计

本文介绍了一种可靠的MDIO 接口逻辑设计的方法。目前已使用在AFDX交换机专用集成电路芯片上。该设计采用VHDL 进行描述,并使用Modelsim进行了仿真,结果表明,该设计的正确性和可靠性。同时在AFDX交换机板级调试过程中,也验证了设计的正确性。     

测量位置点驱动的飞机蒙皮对缝结构点云分割方法

飞机蒙皮表面存在大量对缝结构,其质量对飞机性能、寿命和可靠性有着重要影响。目前蒙皮对缝结构点云数据处理阶段存在数据量大、数据处理效率低、难度大等问题。为提高对缝参数计算效率,提出了一种测量位置点驱动的飞机蒙皮对缝结构点云分割方法。提取蒙皮理论模型对缝结构边缘曲线特征并离散成测量位置点,由测量位置点引导空间包围盒的构建,驱动对缝点云数据实现局部分割。试验结果表明该方法针对对缝结构点云能取得良好的分割效果。