CN102494864A - 飞行器俯仰运动下偏航/滚转自由运动模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种在风洞中模拟飞行器偏航/滚转两自由度自由运动的实验装置，主要包括与俯仰机构固联的自由偏航运动支杆和自由滚转运动支杆，主要特征在于自由偏航支杆和自由滚转支杆的中心轴线与俯仰运动装置的中心轴线相互垂直，且三轴线相交于一点；偏航支杆的转轴通过一连接杆与滚转支杆相连，带动滚转支杆做偏航运动；滚转支杆中的滚转转轴则与模型固联；偏航支杆和滚转支杆的转轴由支杆内的轴承支撑，可以自由运动，不受约束。对于偏航运动支杆的偏航运动，需在偏航支杆与滚转支杆之间的连接杆上放配重块，将连接杆和滚转支杆总的质心调到偏航转轴的轴线上。

Description

飞行器俯仰运动下偏航/滚转自由运动模拟装置

技术领域

本发明是一种在风洞实验中模拟飞行器在强迫俯仰运动下偏航/滚转自由运动的装置，该装置用于风洞实验模拟研究，属于航空航天技术领域。

背景技术

现在战机需要具有良好的大攻角飞行性能，而在在大迎角状态下，由于旋涡分离流与飞机机体运动的相互耦合，会导致飞行器出现一系列不可控的飞行现象，如机翼摇滚、机头侧偏、重翼等现象，严重影响飞行安全和飞行性能。而这种非指令失稳运动通常是一种横航向的耦合运动。从而使飞机大迎角气动设计呈现出很多新的特点。小迎角下，可以采用小扰动线化理论，将飞机横航向运动与纵向运动解耦，飞机的飞行仿真和控制率设计是基于线化后的静、动导数概念。而大迎角下，线化理论很难再适用，对于大迎角定直平飞情况，尽管仍可采用小扰动假设，但由于气流在大迎角下的强非线性，飞机的运动在小扰动下是否一定可以线化还存在疑问；另一方面，飞机的大迎角机动通常是通过大幅度的瞬态运动实现的(如Herbst机动、Cobra机动等)，此时小扰动假设完全失效，飞机的运动为有限扰动运动，气动力则呈现出强非线性和非定常性。基于此，针对大迎角动态气动力的表达问题，目前正在发展非线性、非定常的气动力模型，而动导数概念一般不再适用。但由于大迎角非线性问题的固有复杂性，很难发展出有物理意义又适用于一般情况的气动力模型。通常基于物理原理的气动模型都很难推广到复杂布局；而能用到复杂布局的气动模型都是基于大量风洞数据的工程拟合方法，其可靠性需要风洞自由飞和飞行实验的验证。因此直接通过风洞实验来预测和研究横航向耦合的非指令运动，对于发展现代战斗机十分重要。而偏航/滚转两自由运动机构是进行这方面实验研究的基础。

最近正在发展的风洞虚拟飞行方法^[1]，为研究和设计飞机大迎角稳定性和控制系统提供了新的工具。相比于风洞自由飞和飞行实验，虚拟飞行系统更适合对模型运动进行准确和精细的测量，同时也更为方便，造价也更低。但目前的用于虚拟飞行研究的实验机构基本是针对导弹研究的，采用张线结构，对于飞机两自由度自由运动实验很不方便。

本发明给出了一种可在飞机俯仰运动下实现偏航/滚转两自由度自由运动的装置，该装置简易可行，且能够实现上述问题的研究。

参考资料

[1]Thomas E.Manning II，Clifford，L.Ratliff，and Edward Marquart，J.，Bridging The GapBetween Ground and Flight Tests：Virtual Flight Testing(Vft)，AIAA-95-3875，1995

发明内容

本发明是模拟飞机模型在大迎角下偏航/滚转耦合自由运动的实验装置。该装置可让模型在偏航和滚转方向自由转动，不受约束。

主要装置包括：自由滚转运动支杆、自由偏航运动支杆、连接杆、配重、长支杆和摇臂。本发明是俯仰运动下的偏航/滚转自由运动的装置，该装置采用尾支撑方式，两自由度运动支架系统连接在摇臂，摇臂可改变模型迎角。自由偏航运动支杆固定在摇臂上，支杆内为高精度轴承(机械轴承或磁悬浮轴承)；自由滚转运动支杆沿模型体轴深入到模型内部，支杆内也为高精度轴承；自由偏航运动支杆和自由滚转运动支杆之间通过连接杆连接，为了使模型自由偏航时支杆的重心在转轴上，通过配重块调整重心，配重块要短粗以减小转动惯量，连接杆和自由滚转运动支杆均采用轻质材料，如碳纤维材料、高强度轻质铝合金，以减小偏航转动惯量。连接杆采用中空结构，滚转运动支杆采用薄壁结构。实验时将自由滚转运动支杆、连接杆、配重块和模型的航向转动惯量一起作为飞机的转动惯量。模型运动的时间历程通过自由滚转运动支杆端部的光电编码器和自由偏航运动支杆端部的光电编码器记录，通过差分计算，可由角度时间历程进一步得到角速度和角加速度时间历程。机构的俯仰轴线、偏航轴线和滚转轴线三轴线相互垂直，且三轴线交于模型的参考中心，该参考中心位于风洞的中心位置，模型迎着来流方向，以保证模拟运动时模型始终绕参考中心转动，不偏离风洞中心位置。

附图说明

图1飞行器俯仰运动下偏航/滚转自由耦合运动装置立体图

图2自由滚转运动支杆简图

图3自由偏航运动支杆简图

具体实施方式

图1为飞行器俯仰运动下偏航/滚转自由运动模拟装置，标识1、2分别为自由滚转运动支杆、自由偏航运动支杆，标识3为连接在迎角机构的摇臂，标识4、5、6为滚转轴线、偏航轴线和俯仰轴线，三轴线相互垂直，且三轴线交于模型的参考中心。标识7为连接杆，模型运动时用于连接自由滚转运动支杆和自由偏航运动支杆。标识8为配重，用于调节偏航运动时的重心在偏航轴线上，消除重力的影响。标识9为风的来流方向，模型有一定角度迎着来流方向。

图2为自由滚转运动支杆的剖面图。标识1.2和1.4为深沟球轴承，轴承固定在外套筒1.5上，用于支撑支杆1.3。其中，支杆两端分别连接模型与轴，与轴连接的即为自由滚转运动编码器11，模型通过锥配合安装在支杆上，模型自由滚转运动时间历程就由编码器1.1记录。

图3为自由偏航运动支杆的剖面图。自由偏航运动支杆靠长支杆与摇臂连接。标识2.1为自由偏航运动编码器。模型运动时的自由偏航运动经自由滚转运动支杆和连接杆将转动传递到自由偏航运动编码器，最后记录偏航运动时间历程。标识2.3是与连接杆相连的偏航轴，标识2.2和2.4为圆锥滚子轴承，用于支撑偏航轴，轴承固定在外套筒2.6上。标识2.5为配重，要尽量粗短减少绕偏航轴线的转动惯量。

本发明可依照以下实施方式进行，参阅附图所示：

在大迎角下，使用偏航/滚转自由运动机构，研究模型在航向或横向小扰动下的耦合运动形态，同时研究模型在航向或横向有限扰动下的耦合运动形态，小扰动或有限扰动通过给模型一个初始偏航或滚转角来实现。通过光电编码器记录耦合运动的时间历程，进一步通过数据后处理得到耦合运动的速度和加速度时间历程，再通过加速度和模型转动惯量进一步提取出模型耦合运动的气动力矩。气动力矩提取过程中涉及到数据的滤波、降噪等数据处理技术。在以上研究的基础上，研究耦合运动运动形态及气动力矩的表达方法。

Claims (8)

1.一种在风洞中模拟飞行器偏航/滚转两自由度自由运动的实验装置，主要包括与俯仰机构固联的自由偏航运动支杆和自由滚转运动支杆，主要特征在于自由偏航支杆和自由滚转支杆的中心轴线与俯仰运动装置的中心轴线相互垂直，且三轴线相交于一点；偏航支杆的转轴通过一连接杆与滚转支杆相连，带动滚转支杆做偏航运动；滚转支杆中的滚转转轴则与模型固联；偏航支杆和滚转支杆的转轴由支杆内的轴承支撑，可以自由运动，不受约束。

2.根据权利要求1所述装置，支撑滚转运动支杆转轴和偏航运动支杆转轴的轴承可以为机械轴承或磁悬浮轴承。

3.根据权利要求1所述装置，偏航运动支杆和滚转运动支杆包括外套筒和位于套筒内的转轴，转轴通过轴承固定在套筒内。

4.根据权利要求1所述装置，对于偏航运动支杆的偏航运动，需在偏航支杆与滚转支杆之间的连接杆上放配重块，将连接杆和滚转支杆总的质心调到偏航转轴的轴线上。

5.根据权利要求1所述装置，偏航运动支杆、滚转运动支杆和连接杆需采用轻质材料，如碳纤维复合材料、高强度轻质铝合金。

6.根据权利要求1所述装置，滚转运动支杆采用薄壁结构，连接杆采用中空结构，用来减轻偏航方向的转动惯量。

7.根据权利要求1所述装置，偏航支杆和滚转支杆末端安装编码器，用于采集滚转角度时间历程，用该时间历程通过数值差分得到滚转角速度和角加速度。

8.根据权利要求1所述装置，调整连接杆和滚转支杆总的质心的配重块应采用密度较大的材料，并且配重块要尽量贴近偏航转轴，即配重块上的离偏航转轴最远的点要尽量缩短与偏航转轴问的距离。

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