CN104180965A - 一种风洞分离模拟实验系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明风洞分离模拟实验系统属于风洞实验技术领域，涉及一种适用于风洞环境中外载物模型分离过程测量的模拟实验系统。该模拟实验系统采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合，通过助投器施加作用力完成外载物与母机分离，高速视觉装置对分离过程进行测量。本发明采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合确保风洞分离体模型分离系统安全可靠，具有较高的承载能力与快速触发能力，并引入助投器对模型施加可调的投放力，对风洞分离模型分离初始角度、分离角度、分离速度与分离角速度进行控制，保证了分离模型分离过程与真机分离过程的高度一致，双目高速视觉装置具有精度高、频响高等特点满足分离全程参数测量需求。

Description

一种风洞分离模拟实验系统和方法

技术领域

本发明属于风洞实验技术领域，涉及一种适用于风洞环境中外载物模型分离过程测量的模拟实验系统和方法。

背景技术

飞行器在高速飞行，存在多体干扰现象，即外载物或负载物与载机间的相互气动干扰。在特定情况下，外载物或负载物需与载机分离，由于它们彼此非常靠近，高速飞行时，分离时间极短，各分离体间相对运动产生急剧变化，气动力间耦合将更加剧烈，极易引起分离体间的运动干涉发生碰撞，造成严重后果。因此在设计过程中进行风洞模拟分离试验对分离过程进行测量是保证飞行器安全的必要步骤，其中分离模拟实验系统能否模拟真实分离状态并对分离过程进行有效测量是风洞模拟分离实验可信度的重要依据。在风洞复杂环境下，由于模型缩比、尺寸以及系统响应时间等限制因素，如何进行高度模拟风洞分离实验仍是需要解决的主要难题。

目前，对于风洞分离模拟实验系统的研究相对较少，多为投放分离装置的研究，Rudy A.Johnson，Michael J.Stanek等人在2008年AIAA第46次会议中发表的《Store Separation Trajectory DeviationsDue to Unsteady Weapons Bay Aerodynamics》中提出了利用双弹簧加载的分离方案，Nathan E M,Bernard J J,Li C G等人在2009年AIAA第47次会议中发表的《Measurement of store separation dynamics》提出了一种依靠双气缸加载的分离方案。这两种方案均能成功分离外载物，但很难应用于目前对分离过程有严格要求的分离场合，并不具有对分离过程进行测量的能力。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种风洞分离模拟实验系统，采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合，通过助投器施加作用力完成外载物与母机分离，高速视觉装置对分离过程进行测量。采用爆炸螺栓作为紧固构件，具有较高的力学性能与可靠性，保证分离系统安全可靠，助投器配合机械同心滑轨装置可在承受大马赫数恒风载的情况下控制分离体分离参数，高速视觉装置频响高使得分离实验实时可测。本分离系统具有高可靠性、鲁棒性，并可控制分离初始角度、分离角度、分离速度、分离角速度等分离过程参数，具有分离时与分离后全程可测的能力。

本发明所采用的技术方案是一种风洞分离模拟实验方法，其特征是，该方法由分离模拟实验准备、模拟分离动作及测量设备触发过程、进行高速视觉测量三部分组成；方法的具体步骤如下：

(1)分离模拟实验准备

模拟分离动作采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置共同作用紧固分离体模型，机械同心滑轨装置3分为安装于分离体模型2上的强化限位同心滑块7以及固定于分离悬挂架10上的同心滑道8，滑块滑道配合允许分离体模型沿滑道方向运动，分离体通过机械同心滑轨装置安装，并通过爆炸螺栓固定位置调整分离物安装角度；根据实验分离角度、分离角速度与分离速度要求调整助投器给分离体模型施加不同投放力使模型在滑道加速后达到规定分离要求；

(2)模拟分离动作及测量设备触发

模拟分离设备各部件动作顺序为：A)打开助投器4气源通过助投气缸11给分离体施加预投力；B)爆炸螺栓1接收触发信号引爆，解除分离体运动限制；双目高速视觉摄像机6与爆炸螺栓1同步接收触发信号开始分离过程拍摄；C)在助投力作用下，分离体开始沿机械同心滑轨装置滑道加速运动；D)当机械同心滑轨装置3相对运动达到设定分离位置，分离体从设备中完全分离；E)双目高速视觉摄像机6完成全过程拍摄后，关闭拍摄功能；

(3)双目高速视觉测量

采用双目高速视觉测量方式对分离体分离全过程运动参数进行测量；采用已标定好的双目高速摄像机视觉，已知双目摄像机内、外参数；然后进行分离体特征标记的运动全程拍摄，获得分离体特征标记运动图像；对特征标记图像进行处理，分割分离体特征标记信息，提取其标记相面坐标，进行左、右高速摄像机对应标记匹配，重建出标记三维坐标，根据各标记三维坐标以及各特征标记位于分离体位置信息，得到分离体分离运动全程位姿信息以及速度、加速度等运动参数。

分别建立风洞坐标系及分离物坐标系，根据两坐标系间转换关系求解分离体运动位姿信息，按实验要求建立风洞坐标系O_wX_wY_wZ_w与分离体坐标系O_tX_tY_tZ_t；定义分离体重心为分离体坐标系原点，其风洞坐标系下坐标(x₀ y₀ z₀)为分离体位置参数；利用以下公式计算两坐标系间转换矩阵R_wt：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{\mathrm{wt}}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，(x_t y_t z_t)^T为特征标记在分离体坐标系下坐标，(x_p y_p z_p)^T为特征标记在风洞坐标系下坐标，将转换矩阵R_wt分解便可就得分离体姿态信息：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{wb}}=\\ \left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]---\left(2\right)\end{array}$

如上式所示，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y分别为分离体相对于风洞坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角。

2、如权利要求1所述一种风洞分离模拟实验方法，其特征是，该方法采用的系统由爆炸螺栓1、分离体模型2、机械同心滑轨装置3、助投器4、工控机5、双目高速视觉摄像机6、强化限位同心滑块7、同心滑道8、强化限位块9、分离悬挂架10、助投气缸11组成；

在机械同心滑轨装置3中，安装在分离体模型2上的强化限位同心滑块7具有两个强化限位块9，两个强化限位块9分别插入同心滑道8的对应上、下限位槽a、b内，同心滑道8安装在分离悬挂架10的右端；分离悬挂架10通过爆炸螺栓1安装在分离体模型2上，助投器4的气管与安装在分离悬挂架10上的助投气缸11相连。

本发明的有益效果是在风洞实验环境下，采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合确保风洞分离体模型分离系统安全可靠，具有较高的承载能力与快速触发能力，并引入助投器对模型施加可调的投放力，对风洞分离模型分离初始角度、分离角度、分离速度与分离角速度进行控制，保证了分离模型分离过程与真机分离过程的高度一致，双目高速视觉装置具有精度高、频响高等特点满足分离全程参数测量需求。

附图说明

图1为风洞分离模拟实验系统原理图。其中，1‐爆照螺栓、2‐分离体模型、3‐机械同心滑轨装置、4‐助投器、5‐工控机、6‐双目高速视觉摄像机。

图2为实验分离系统安装图，图3为图2的局部放大图。其中，1‐爆炸螺栓、2‐分离体模型、3‐机械同心滑轨装置、7‐强化限位同心滑块、8‐同心滑道、9‐强化限位块、10‐分离悬挂架、11‐助投气缸、a‐上限位槽、b‐下限位槽。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。附图1为风洞分离模拟实验系统原理图。本发明采用爆炸螺栓1与机械同心滑轨装置3共同作用紧固分离体，实验过程中，爆炸螺栓炸断面爆炸分离解除运动限制引发分离体分离动作，助投器配合机械同心滑轨装置控制分离体分离运动过程，视觉装置与爆炸螺栓同步触发，对分离体分离瞬间及分离后运动进行测量，最终完成风洞分离模拟实验。

如附图1所示，本实施例采用助投器4给予风洞缩比模型2预投力，爆炸螺栓1与双目高速视觉摄像机6同时接收工控机5发出的触发信号，使爆炸螺栓1引爆与双目高速视觉摄像机6开始拍摄同步进行，风洞缩比模型2按设计要求沿机械同心滑轨装置3滑动方向分离，完成风洞实验分离体与母机的模拟分离及分离全过程测量实验。

本实施例采用工控机5中高速继电器快速发出同步电信号触发爆炸螺栓1与双目高速视觉摄像机6，使用Festo公司的带有自锁功能的型号为DSNU‐32‐25‐P‐A‐KP的气缸作为助投器给模型施加投放力，以压缩氮气为气缸动力气源。双目高速视觉摄像机采用FASTCAMSAX高速摄像机在帧频3000帧下进行拍摄。以下为风洞分离模拟实验系统运作的具体流程：

(1)分离模拟实验准备

分离体由爆炸螺栓与机械同心滑轨装置共同固定，本实施例所用机械同心滑轨装置如图2所示，强化限位同心滑块7安装在分离体模型2上，强化限位同心滑块7具有两个强化限位块9，可承受超音速风洞风载荷，工作时，两个强化限位块9分别插入同心滑道8的对应限位槽a、b内，两个强化限位块9与滑道同时分离，互不干扰。分离体模型2上加工有安装爆炸螺栓的螺纹孔，实验时，将爆炸螺栓1安装在螺纹孔中，固定分离体模型。然后根据分离初始角度要求调整分离体模型安装角度，并确定分离初始角度。将爆炸螺栓1与双目高速视觉摄像机6的触发线连接工控机5的高速继电器，接通助投器气管并打开气源阀。

(2)分离模拟实验

当风洞流场建立后，分离实验开始，助投器气缸给分离体施加预投力，使气缸弹出气杆顶在分离体上。工控机5发出触发信号引爆爆炸螺栓1，同时触发双目高速摄像机开始拍摄，螺栓连接部位断裂，分离体模型解除爆炸螺栓限制后，分离体在气缸力作用下，随强化限位滑块7在同心滑道内运动，滑道加速结束后，分离体完全与固定装置分离在风洞中下落。

以标定好的双目高速视觉摄像机将图像传输给工控机，利用公式(1‐2)进行视觉处理，得到分离实验分离体分离过程位姿参数件下表：

时间/s	偏航角/o	俯仰角/o	滚转角/o	X位移/mm	Y位移/mm	Z位移/mm
							0.00023	3.830	58.823	3.421	101.42	64.33	291.07
0.00048	3.920	59.552	3.082	101.16	64.29	290.41
							0.00073	3.905	58.290	3.441	101.90	64.18	290.31
0.00098	3.990	58.442	3.038	101.52	64.12	290.05
							0.00123	4.002	58.688	3.025	101.78	64.10	290.01
0.00148	3.976	59.102	3.201	101.32	64.07	289.94
							0.00173	3.995	59.119	3.218	101.34	63.95	289.89
0.00198	4.067	60.125	2.899	101.22	63.82	289.81
							0.00223	3.996	59.852	3.115	101.08	63.79	289.96
0.00248	3.942	59.751	3.109	100.63	63.67	289.84
							0.00273	3.965	59.803	3.119	99.42	63.63	289.64
0.00298	4.011	59.994	3.109	99.32	63.54	289.59
							0.00323	4.002	59.425	3.022	99.04	63.43	289.53
0.00348	3.962	59.653	3.315	99.03	63.41	289.34
							0.00373	4.013	59.752	3.050	98.67	62.99	288.26

本发明采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置配合固定风洞分离体模型，具有较大的承载能力，利用爆炸螺栓安装位置控制分离体初始角度，改变机械同心滑轨装置同心圆半径及弧度对分离角度进行调控；利用爆炸螺栓实现分离体在承受较大载荷情况下快速触发运动，并引入助投器对模型施加可调的投放力，对风洞分离模型分离速度与分离角速度进行控制，保证了分离模型分离过程与真机分离过程的高度一致，双目高速视觉装置具有精度高、频响高等特点，能对分离体分离全程进行高精度测量。

Claims (2)

1.一种风洞分离模拟实验方法，其特征是，该方法由分离模拟实验准备、模拟分离动作及测量设备触发过程、进行高速视觉测量三部分组成；方法的具体步骤如下：

(1)分离模拟实验准备

模拟分离动作采用爆炸螺栓与机械同心滑轨装置共同作用紧固分离体模型，机械同心滑轨装置(3)分为安装于分离体模型(2)上的强化限位同心滑块(7)以及固定于分离悬挂架(10)上的同心滑道(8)，滑块滑道配合允许分离体模型沿滑道方向运动，分离体通过机械同心滑轨装置安装，并通过爆炸螺栓固定位置调整分离物安装角度；根据实验分离角度、分离角速度与分离速度要求调整助投器给分离体模型施加不同投放力使模型在滑道加速后达到规定分离要求；

(2)模拟分离动作及测量设备触发

模拟分离设备各部件动作顺序为：A)打开助投气缸(11)气体通过助投器(4)给分离体施加预投力；B)爆炸螺栓(1)接收触发信号引爆，解除分离体运动限制；双目高速视觉摄像机(6)与爆炸螺栓(1)同步接收触发信号开始分离过程拍摄；C)在助投力作用下，分离体开始沿机械同心滑轨装置滑道加速运动；D)当机械同心滑轨装置(3)相对运动达到设定分离位置，分离体从设备中完全分离；E)双目高速视觉摄像机(6)完成全过程拍摄后，关闭拍摄功能；

(3)双目高速视觉测量

采用双目高速视觉测量方式对分离体分离全过程运动参数进行测量；采用已标定好的双目高速摄像机视觉，已知双目摄像机内、外参数；然后进行分离体特征标记的运动全程拍摄，获得分离体特征标记运动图像；对特征标记图像进行处理，分割分离体特征标记信息，提取其标记相面坐标，进行左、右高速摄像机对应标记匹配，重建出标记三维坐标，根据各标记三维坐标以及各特征标记位于分离体位置信息，得到分离体分离运动全程位姿信息以及速度、加速度等运动参数。

分别建立风洞坐标系及分离物坐标系，根据两坐标系间转换关系求解分离体运动位姿信息，按实验要求建立风洞坐标系O_wX_wY_wZ_w与分离体坐标系O_tX_tY_tZ_t；定义分离体重心为分离体坐标系原点，其风洞坐标系下坐标(x₀ y₀ z₀)为分离体位置参数；利用以下公式计算两坐标系间转换矩阵R_wt：

$\left[\begin{array}{c}{x}_t\\ y_t\\ z_t\end{array}\right]=R_{\mathrm{wt}}\left[\begin{array}{c}{x}_p-x_0\\ y_p-y_0\\ z_p-z_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，(x_t y_t z_t)^T为特征标记在分离体坐标系下坐标，(x_p y_p z_p)^T为特征标记在风洞坐标系下坐标，将转换矩阵R_wt分解便可就得分离体姿态信息：

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{wb}}=\\ \left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ -\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\\ \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)-\cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\sin \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_Z\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_Y\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_X\right)\end{array}\right]---\left(2\right)\end{array}$

如上式所示，-θ_Z，-θ_X，-θ_Y分别为分离体相对于风洞坐标系的偏航角，俯仰角和滚转角。

2.如权利要求1所述一种风洞分离模拟实验方法，其特征是，该方法采用的系统由爆炸螺栓(1)、分离体模型(2)、机械同心滑轨装置(3)、助投器(4)、工控机(5)、双目高速视觉摄像机(6)、强化限位同心滑块(7)、同心滑道(8)、强化限位块(9)、分离悬挂架(10)、助投气缸(11)组成；

在机械同心滑轨装置(3)中，安装在分离体模型(2)上的强化限位同心滑块(7)具有两个强化限位块(9)，两个强化限位块(9)分别插入同心滑道(8)的对应上、下限位槽(a、b)内，同心滑道(8)安装在分离悬挂架(10)的右端；分离悬挂架(10)通过爆炸螺栓(1)安装在分离体模型(2)上，助投器(4)的气管与安装在分离悬挂架(10)上的助投气缸(11)相连。