CN102313640A - 基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst机动模拟方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst机动模拟方法及其装置，属于航空航天技术领域。其目的是建立一个在风洞中开展Herbst机动过程中气动特性研究的实验平台，为现代战斗机高机动技术的发展提供重要研究手段。该发明技术方案主要包括快速拉起系统、圆锥运动系统以及摇滚支杆，通过控制各系统伺服电机将快速拉起运动与圆锥运动结合以实现对Herbst机动动作的模拟。此外，本发明不仅局限于对Herbst机动的模拟，快速拉起运动、圆锥运动以及绕自身体轴滚转运动可以完全自由组合，实现不同的运动过程仅需修改控制程序中相关参数。
Description
技术领域
本发明是一种模拟战斗机Herbst机动动作的方法及装置，主要用于风洞实验研究，属于航空航天技术领域。
背景技术
随着航空科技的快速发展，战斗机高机动性的要求日趋强烈。现在，高机动性已经是新一代战机所必需满足的主要技术指标之一。而目前比较有名且具备实用意义的大迎角过失速机动战术动作有“眼镜蛇”机动、柯比特机动(Kulbit)、钟摆机动(Bell)、赫布斯特机动(Herbst)等等。其中，Herbst机动力图以最小半径、最快速度改变机头指向，从而使飞机迅速占据有利位置或迅速将机身指向目标，在空战中获得战术优势，是非常有代表性的机动。
Herbst机动是以最早提出过失速机动概念的德国人Wolfgang Herbst命名的。该机动如图1所示，飞机以0.5马赫数或更高速度进入(过程a)，急拉杆使迎角快速增加并降低飞行速度，直到超过失速迎角(过程b)，再绕速度矢量滚转到一个新的飞行方向(过程c)，推杆使飞机低头卸载并加速(过程d)，从而通过减小转弯半径的方式实现快速调头的目的。
由于该机动过程的复杂性，目前国内外关于Herbst机动的研究非常少。而对于这类复杂空气动力学问题，较常用的研究手段是风洞实验，但在国内风洞中尚未见到可开展Herbst机动过程飞机气动特性研究的实验方法与装置。
基于目前空中战术对战斗机高机动性的急切需求以及国内外Herbst机动研究的空白现状，有必要率先发展Herbst机动的模拟方法及其装置，以便开展现代飞行器高机动性的风洞实验研究。
发明内容
本发明提出一种模拟Herbst机动动作的方法与装置，其目的是：针对上述论述的Herbst机动研究的空白现状，结合测压、测力以及PIV实验技术，建立一个可以在风洞中开展Herbst机动过程飞机气动特性研究的实验平台，为现代战斗机战术动作的发展提供重要的研究平台和技术手段。
本发明是一种基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst机动模拟方法及其装置，其模拟方法主要包括：装置制作与准备，系统控制方法，同步测量方法；其模拟装置主要包括：快速拉起系统1(图2)，圆锥运动(绕速度矢量滚转运动)系统3(图2)，摇滚支杆3.11(图5)。详细阐述如下：
本发明是一种基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst模拟方法，其步骤如下：
1、装置制作与准备
(1)快速拉起系统1的设计制作。伺服电机1.1驱动拉起系统主轴1.5，主轴与摇臂2相连，如图3所示，该系统可完成由电机控制的快速拉起过程。
(2)圆锥运动系统3的设计制作。伺服电机3.7驱动圆弧导轨3.10旋转，在圆锥运动过程中，导线的引出通过引电滑环3.4实现，如图4所示。该系统可完成由电机控制的圆锥运动过程。
(3)摇滚支杆3.11的设计制作。模型与支杆主轴3.11.4直接相连，支杆主轴3.11.4另一端通过联轴节3.11.2可与外部电机3.14及减速器3.13相连，如图5所示。支座3.11.1通过套筒3.12与圆弧导轨3.10相连。该系统方便了模型滚转姿态的调整。
(4)为使模型在整个Herbst机动过程中，其参考中心与风洞没有相对移动，整个系统在尺寸上务必满足拉起轴线、圆锥运动轴线以及模型自身体轴相交于模型参考中心，如图2所示。
2、系统控制方法
(1)模型初始姿态调整。将模型固定于支杆3.11上，改变圆弧导轨3.10在圆弧支撑座3.9中的位置，可以调节圆锥运动迎角(支杆轴线与圆锥运动轴线的夹角)，本实例预设圆锥运动迎角为70°(如图4所示)，再通过销钉孔将圆弧导轨3.10与圆弧支撑座3.9固定。通过摇臂2将圆锥运动系统3与快速拉起系统1相连，控制圆锥运动伺服电机3.7使圆弧导轨平面与横梁3.2垂直，控制快速拉起伺服电机1.1使模型与来流风速平行，即模型攻角为0。控制摇滚支杆伺服电机3.14使模型纵向对称面与拉起运动轴线垂直。
(2)Herbst机动动作模拟。Herbst机动过程为飞机快速拉起直到超过失速迎角，继续绕风轴滚转180°，然后低头将攻角降为0°。按此过程可预设模型姿态角随时间的变化规律，进而转换为各驱动电机所发的脉冲数量随时间的变化规律，将此脉冲时序指令通过板卡发送到伺服电机驱动器上，从而驱动电机按此脉冲指令运行使模型完成Herbst机动的模拟过程。Herbst机动过程的速度调节只需修改预设模型姿态角随时间的变化规律，转化为脉冲时序指令发送到伺服电机驱动器即可。
3、同步测量方法
(1)圆锥运动过程中测量信号的导出。本发明将各种测量信号线通过中空圆弧导轨3.10与中空圆弧支撑座3.9连接到引电滑环3.4(如图4所示)上，引电滑环的输出线通过中空横梁3.2连接到风洞4外，从而避免了信号线在圆锥运动过程中与装置缠绕的问题。
(2)流动测量信号之间的同步。风洞实验中常见的流动测量手段有天平测力、表面测压以及PIV定量化流场测量。当同时采用多种测量手段时，往往要求各测量信号之间同步采集。以上三种测量手段的同步，首先将采集模式设定为外触发，即由板卡接收外部信号进行触发采集；然后只需保证各自板卡接收的外触发信号同步即可，本发明实例该过程通过同步盒实现，如图6所示。
(3)运动与流动测量之间的同步。在Herbst机动过程中采集流动测量信号时，需要获得采集时刻模型的姿态角，即保证运动与流动测量之间的同步。首先，模型的姿态角可通过伺服电机的编码器获得，当模型运动到所要测量流动信号的姿态角时，向流动测量设备的板卡发出脉冲触发信号，本发明连接到同步盒的输入端，同步盒输出端分别连接天平测力、表面测压以及PIV定量化流场测量的板卡，如图6所示，从而实现了运动与流动测量之间的同步。
本发明是一种基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst模拟装置，其包括有：快速拉起系统1，圆锥运动系统3，摇滚支杆3.11。
1、快速拉起系统。如图3所示，伺服电机1.1与减速器1.2相连，通过齿轮副1.3和1.4将旋转运动传递到拉起主轴1.5，拉起主轴1.5与摇臂2直接相连，该系统通过伺服电机驱动可实现模型绕拉起主轴1.5的旋转运动，旋转角度和方向不限。
2、圆锥运动系统。如图4所示，伺服电机3.7通过齿轮3.5和3.8将旋转运动传递到圆弧支撑座3.9，圆弧导轨3.10设置销钉孔与圆弧支撑座相固定，引电滑环3.4用来传递信号直接与圆弧支撑座3.9相连。整个圆锥运动系统3通过横梁3.2及“Z”字转接头3.1与快速拉起系统1相连。该系统通过伺服电机驱动可实现模型绕圆锥运动轴线的旋转运动，旋转角度和方向不限。
3、摇滚支杆。包括支座3.11.1、联轴节3.11.2、整流套筒3.11.3及支杆主轴3.11.4，其中，支杆主轴3.11.4两端分别连接模型与联轴节3.11.2，联轴节3.11.2另一端可连接电机控制模型摇滚运动，也可连接编码器记录模型自由摇滚历程。模型支杆3.11通过套筒3.12与圆弧导轨3.10相连。该系统通过伺服电机驱动可以实现模型绕自身体轴的旋转运动，旋转角度和方向不限。
4、整个系统在尺寸上满足拉起轴线、圆锥运动轴线以及模型自身体轴相交于模型参考中心，如图2所示。
本发明将快速拉起与圆锥运动结合以实现模拟Herbst机动动作的目的，但是，本发明不仅限于对Herbst机动动作的模拟。首先，快速拉起动作与圆锥运动动作可以单独开展，互不干涉，从而可以开展相关问题(如尾旋等)的研究。其次，本发明模型支杆3.11后端可以连接伺服电机3.14控制模型滚转运动，也可以连接编码器记录模型自由摇滚过程，如图4所示，从而可以开展各种机动动作过程中，模型因气动力而引起的绕体轴滚转运动的研究。此外，本发明利用圆弧导轨3.10与销钉固定方式，如图4所示，不仅可以完成快速拉起到攻角70°继而做圆锥运动的Herbst机动动作模拟，也可以完成快速拉起到攻角20°80°(本发明示例2.5°每间隔)中的任意角度继而做圆锥运动动作。
本发明中的快速拉起、圆锥运动与绕体轴摇滚运动均通过伺服电机驱动，从而可以编写控制程序实现对机构运动过程的控制。当模拟不同运动形式的机动动作时，只需局部修改相应参数即可，方便快捷。
附图说明
图1NASA公布的“Herbst”机动过程
图2Herbst机动模拟装置简图
图3快速拉起系统工程简图
图4圆锥运动系统工程简图
图5摇滚支杆工程简图
图6同步测量方法示意图
图中标号如下：
1快速拉起系统 2摇臂 3圆锥运动系统 4风洞
11快速拉起伺服电机 1.2快速拉起减速器 1.3第一级齿轮副
1.4第二级齿轮副 1.5拉起运动主轴 3.1“Z”字转接头
3.2横梁 3.3十字套筒 3.4引电滑环
3.5锥齿轮 3.6圆锥运动减速器 3.7圆锥运动伺服电机
3.8锥齿轮 3.9圆弧支撑座 3.10圆弧导轨
3.11模型支杆 3.12套筒 3.13强迫摇滚减速器
3.14强迫摇滚伺服电机
3.11.1支座 3.11.2联轴节 3.11.3整流套筒
3.11.4支杆主轴
具体实施方式
本发明是一种基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst机动模拟方法及其装置，为现代战斗机高机动技术的发展提供风洞实验研究平台和技术手段。
参阅图2至图5所示，该发明技术方案主要包括有：装置制作与准备，系统控制方法，同步测量方法，具体如下：
1、Herbst机动模拟装置的设计：该装置设计的关键是快速拉起系统1与圆锥运动系统3的结合(如图2所示)，要求拉起轴线、圆锥运动轴线以及模型自身体轴相交于模型参考中心。快速拉起运动与绕速度矢量的滚转运动分别通过伺服电机11和3.7驱动实现。此外，摇滚支杆3.11可以实现模型的自由摇滚运动，通过编码器记录位置，也可以通过伺服电机3.14驱动实现模型绕自身体轴的强迫滚转运动。
2、系统控制方法：按Herbst机动过程预设模型姿态角随时间的变化规律，进而转换为各驱动电机所发的脉冲数量随时间的变化规律，将此脉冲时序指令通过板卡发送到伺服电机驱动器上，从而驱动电机按此脉冲指令运行使模型完成Herbst机动的模拟过程。
3、同步测量方法：当模型运动到所要测量流动信号的姿态角时，控制板卡向同步盒的输入端发出脉冲触发信号，同步盒输出端分别接天平测力、表面测压以及PIV定量化流场测量的板卡，如图6所示，从而实现Herbst机动过程中运动与流动的同步测量。圆锥运动过程中，各种测量信号通过引电滑环3.4导出。
利用本发明进行实验研究时，可依照以下实施方式进行，参阅附图所示：
1、测量信号线的引出。将测力天平或者压力扫描阀的输出信号线等通过中空圆弧导轨和中空圆弧支撑座连接到引电滑环3.4，引电滑环的输出线通过中空横梁3.2连接到风洞4外。
2、调节模型初始姿态。将模型固定于支杆3.11上，改变圆弧导轨3.10在圆弧支撑座3.9中的位置，可以调节圆锥运动迎角(支杆轴线与圆锥运动轴线的夹角)，本实例预设圆锥运动迎角为70°(如图4所示)，再通过销钉孔将圆弧导轨3.10与圆弧支撑座3.9固定。控制圆锥运动伺服电机3.7使圆弧导轨平面与横梁3.2垂直，控制快速拉起伺服电机1.1使模型与来流风速平行，即模型攻角为0，控制摇滚支杆伺服电机3.14使模型纵向对称面与拉起运动轴线垂直。
3、Herbst机动模拟及实验过程。按预设时间历程编写程序控制快速拉起伺服电机与圆锥运动伺服电机，可完成模型快速拉起直到超过失速迎角，继续绕风轴做圆锥运动的过程。整个机动过程中，可当模型运动到任何姿态角时，控制板卡向同步盒发出脉冲触发信号，同步触发各种测量设备采集，也可直接动态连续采集，从而实现在风洞中模拟Herbst机动过程并进行实验研究的目标。
Claims (8)
1.基于风洞虚拟飞行的战斗机Herbst机动模拟方法及其装置，其主要特征在于：该装置包括快速拉起运动系统、圆锥运动系统、摇滚系统。
2.根据权利要求1所述方法，快速拉起运动系统、圆锥运动系统以及强迫摇滚系统均由伺服电机驱动，其中快速拉起运动与圆锥运动结合实现对Herbst机动的模拟，摇滚系统可用于模型滚转姿态的调整。
3.根据权利要求1和2所述方法，通过分别控制快速拉起运动系统、圆锥运动系统以及强迫摇滚支杆的伺服驱动电机，实现快速拉起、圆锥以及绕自身体轴摇滚三种运动自由组合的任何复杂运动。
4.根据权利要求1所述方法，拉起运动轴线、圆锥运动轴线以及体轴相交于模型参考中心。
5.根据权利要求1所述方法，通过圆弧导轨与圆弧支撑座相对转动的方式改变圆锥运动角度，并通过布置销钉孔方式固定圆锥运动角度。
6.根据权利要求1所述方法，圆锥运动过程中，各种设备信号线，如编码器信号、天平信号、测压信号、强迫摇滚电机电源以及用于研究旋成体非对称涡的头部控制电机电源等均通过引电滑环传导。
7.根据权利要求1和2所述方法，针对三个伺服电机编写控制程序，预设模型姿态角随时间的变化规律，转换为各驱动电机所发的脉冲数量随时间的变化规律，将此脉冲时序指令通过板卡发送到伺服电机驱动器上，从而驱动电机按此脉冲指令运行使模型完成Herbst机动的模拟过程。
8.根据权利要求1所述方法，通过伺服电机的编码器获得模型姿态角，当模型运动到所要测量的姿态角时，经过同步盒向流动测量设备发出脉冲触发信号，同步盒输出端可分别连接天平测力、表面测压以及PIV定量化流场测量设备，从而实现运动与流动测量之间的同步。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140618 |
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