CN105865740B - 飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法及测量发烟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于无人机的飞机户外真实环境下的起飞着陆过程流场动态特性测量方法和一种测量用的低成本快速发烟装置，采用动态相似的无人机代替有人驾驶的试验机进行飞行试验，降低了测试成本与风险，适用于新式布局飞机在设计研发阶段的测试比对；相比于风洞静态模拟试验，本发明将待测飞机及测量装置放置于室外真实飞行环境中，是一种动态测量方法，测试环境更真实，所得的实验数据参考价值高；本发明将烟风洞的流场可视化特点与飞行试验的环境真实性相结合，为大型运输机起降阶段的适航符合性验证提供了一种新思路。

Description

飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法及测量发烟装置

技术领域

本发明涉及飞机近地流场特性测量领域，具体为一种飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法及测量发烟装置。

背景技术

目前，风洞试验是最常用的空气动力学实验方法，因其能较准确地控制实验条件、实验项目和内容多样、结果精确度较高等优点在飞行器研制领域有广泛应用。比如在新式布局飞机研制初期，通常需要利用模型机经过大量静态风洞试验来模拟流场，预测其飞行性能。然而在测试飞机起飞与着陆性能时，其缺点却是不可忽视的。第一，近地流场因受地面效应的影响，表现出与高空流场不同的流场特性，风洞所使用的静态模型难以准确模拟；第二，风洞中的气流是有边界的，边界的存在限制了边界附近的流线弯曲，使风洞流场有别于真实飞行的流场；第三，风洞实验中需要用支架把模型支撑在气流中，而支架的存在会产生对模型流场的干扰。虽然支架效应和洞壁干扰所造成的误差可通过后期数据处理加以修正，却使整个试验方法更加复杂，不易操作；加之风洞本身造价较高，一般的空气动力学实验室很难得到所需的资金支持。

采用与目标飞机几何相似、气动相似及动力相似的缩比模型飞机在空中进行飞行试验，可以获取目标飞机的飞行性能以及飞机的气动参数。这种试验方法与风洞试验相比，可以减少新式布局飞机试飞的风险，降低研究成本。《缩比模型遥控飞行验证技术的研究及展望》(航空工程进展，2011年2月，第2卷第1期，43至47页)中指出，虽然在验证可信度方面，缩比飞行验证不能全面代替传统的飞行试验，但对于某些技术的验证具有其独特的优势。根据气动理论分析，缩比模型在起飞着陆性能方面与实际尺寸飞机具有相关性。《缩比模型飞机及其飞控系统与原型机的相似关系》(飞行力学，2003年6月，第21卷第2期，34至37页)采用量纲理论，导出了原型飞机与缩比模型飞机各物理量的相似比例关系，进而可以根据原型飞机的数学模型得到对应缩比模型飞机的数学模型，为缩比模型飞机预测全尺寸飞机的飞行性能与品质提供了理论依据。

此外，流动显示技术作为一种发展较成熟的流体力学实验手段，可直接用于风洞流场校测和各类空气动力实验，为空气动力计算提供可靠的流动模型，还能发现一些新的流动现象，具有简单直观的优点，适用于研究包括地面效应在内的飞机近地流场等复杂流场的动态特性。

从国内外公开发表的文献资料中，还未发现将流动显示技术应用于缩比模型飞行验证的相关测量装置及方法。

发明内容

针对现有的风洞试验在飞机近地流场动态特性测量方面的不足，本发明提供基于无人机的飞机户外真实环境下的起飞着陆过程流场动态特性测量方法和一种测量用的低成本快速发烟装置，运用缩比模型无人机飞行试验来预测全尺寸飞机的飞行性能和飞行品质，室外测试还原测试环境的真实性，获得更可靠的测试数据，降低新式布局飞机研制阶段的测试成本，可作为风洞试验和CFD计算的补充技术手段。

本发明的技术方案为：

所述一种飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：依据待测试的飞机，采用相似原理，制作待测试的飞机的缩比模型试验机；

步骤2：依据缩比模型试验机的展长尺寸，在缩比模型试验机户外测试区域的起飞着陆跑道两侧均匀布置若干发烟装置；

步骤3：启动发烟装置，使烟均匀散布于测试环境中；操纵缩比模型试验机在测试区域起飞或着陆，同时利用布置在跑道一侧和/或跑道正前方的摄像机，记录烟雾随流场运动图像；同时记录测试时的风速和风向；

步骤4：采用OpenCV图像追踪软件对摄像机记录的图像进行处理，得到清晰的流场图；利用得到的流场图以及所记录的测试时的风速，分析得到流场动态参数。

一种用于上述测量方法的测量用发烟装置，其特征在于：由斜板底座、轴流风机、置物篮、航模拉烟器和遥控点火器组成；轴流风机固定安装在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向倾斜10°～15°；若干置物篮均匀布置固定在轴流风机外侧，且置物篮朝向轴流风机轴向倾斜10°～15°；航模拉烟器放置在置物篮内，遥控点火器受外部控制系统操控，用于点燃航模拉烟器。

有益效果

本发明提出的飞机起降阶段流场动态特性测量方法及测量用发烟装置，采用动态相似的无人机代替有人驾驶的试验机进行飞行试验，降低了测试成本与风险，适用于新式布局飞机在设计研发阶段的测试比对；相比于风洞静态模拟试验，本发明将待测飞机及测量装置放置于室外真实飞行环境中，是一种动态测量方法，测试环境更真实，所得的实验数据参考价值高；本发明将烟风洞的流场可视化特点与飞行试验的环境真实性相结合，为大型运输机起降阶段的适航符合性验证提供了一种新思路。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的原理示意图；

图2：发烟装置示意图；

其中：1、轴流风机；2、置物篮；3、铁丝；4、斜板底座；5、航模拉烟器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例主要针对现有的风洞试验在飞机近地流场动态特性测量方面的不足，提供了一种基于无人机的飞机户外真实环境下的起飞着陆过程流场动态特性测量方法和一种测量用的低成本快速发烟装置，运用缩比模型无人机飞行试验来预测全尺寸飞机的飞行性能和飞行品质，室外测试还原测试环境的真实性，获得更可靠的测试数据，降低新式布局飞机研制阶段的测试成本，可作为风洞试验和CFD计算的补充技术手段。

如图2所示，本实施例中采用的快速发烟装置，由斜板底座4、轴流风机1、三个6cm×6cm×12cm置物篮2、航模拉烟器5和遥控点火器组成。轴流风机固定安装在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向倾斜10°～15°，目的是将烟雾迅速均匀混合在缩比模型试验机起飞或着陆的测试区域内。将铁丝3弯成S型从轴流风机1边框的圆孔中穿过，另一端悬挂盛有航模拉烟器5的置物篮2，从而将置物篮均匀布置固定在轴流风机外侧，且置物篮朝向轴流风机轴向倾斜10°～15°，以使拉烟向轴流风机中心聚集。遥控点火器受外部控制系统操控，用于同步点燃航模拉烟器。轴流风机1启动后可以将烟雾迅速混合，待到烟雾在测试区域呈均匀稳定状态时，即可开始实验。对于1米以下高度的测试区域，在实际测试时，可以不启动轴流风机，航模拉烟器的拉烟能够满足均匀布满测试区域的要求，当测试区域高度达到2m，则需要启动轴流风机，使拉烟区域升高。使用轴流风机时，可由功率估算轴流风机1的转速，以便于后期进行数据处理，得到精确度较高的来流速度等流场数据。

该装置制作简单，易操作，可解决在较高区域或测试尺寸较大的无人机，烟雾短时间内上升不到或间距太宽难以分布均匀等相关问题。

基于上述快速发烟装置，本实施例中的飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法包括以下步骤：

步骤1：依据待测试的飞机，采用相似原理，制作待测试的飞机的缩比模型试验机。

步骤2：依据缩比模型试验机的展长尺寸，在缩比模型试验机户外测试区域的起飞着陆跑道两侧均匀布置若干发烟装置；本实施例缩比模型试验机翼展3m，则在跑道两侧对称各排布4个发烟装置，两侧发烟器间距约4m，同侧发烟器的间距约2m。

步骤3：将轴流风机连接发电机启动，遥控操作点火器同时启动所有航模拉烟器，使烟均匀散布于测试环境中；按照中国民用航空总局适航条例CCAR25部中关于起飞/着陆过程的速度规定，操纵缩比模型试验机在测试区域起飞或着陆，同时利用布置在跑道一侧和/或跑道正前方的摄像机，记录烟雾随流场运动图像；同时利用风速仪记录测试时的风速和风向。

步骤4：采用OpenCV图像追踪软件对摄像机记录的图像进行处理，得到清晰的流场图；利用得到的流场图以及所记录的测试时的风速风向和轴流风机转速，对流场进行误差修正，分析得到流场动态参数。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种飞机起降阶段流场动态特性户外测量方法，其特征在于：采用的测量用发烟装置由斜板底座、轴流风机、置物篮、航模拉烟器和遥控点火器组成；轴流风机固定安装在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向倾斜10°～15°；若干置物篮均匀布置固定在轴流风机外侧，且置物篮朝向轴流风机轴向倾斜10°～15°；航模拉烟器放置在置物篮内，遥控点火器受外部控制系统操控，用于点燃航模拉烟器；

测量方法包括以下步骤：

步骤1：依据待测试的飞机，采用相似原理，制作待测试的飞机的缩比模型试验机；

步骤2：依据缩比模型试验机的展长尺寸，在缩比模型试验机户外测试区域的起飞着陆跑道两侧均匀布置若干发烟装置；

步骤3：启动发烟装置，使烟均匀散布于测试环境中；操纵缩比模型试验机在测试区域起飞或着陆，同时利用布置在跑道一侧和/或跑道正前方的摄像机，记录烟雾随流场运动图像；同时记录测试时的风速和风向；

步骤4：采用OpenCV图像追踪软件对摄像机记录的图像进行处理，得到清晰的流场图；利用得到的流场图以及所记录的测试时的风速，分析得到流场动态参数。