CN106979852B - 一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，该方案包括有风洞变速压启动阶段、流场稳态调节阶段和风洞变速压关车阶段，采用本方案的流场控制方法能够起到风洞启动/关车阶段总压速率可控、稳态调节阶段流场波动幅度小的效果。

Description

一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，具体涉及一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法。

背景技术

武器内埋是先进战斗机实现超声速巡航和低可探测性的重要技术措施，内埋武器的投放、分离和发射，需要在亚、跨、超不同速度和不同飞行姿态下，经历武器舱舱门开启、武器出舱与分离、发射装置收回、舱门关闭、武器延时点火发射等过程，在此过程中，气流将进入内埋武器舱，舱内将出现强烈的流动分离和旋涡，超声速时还存在激波，加之快速运动的舱门、武器悬挂/发射机构的干扰，武器内埋系统所处流场十分复杂，流动呈高度的非平稳随机性，产生强烈的压力脉动和噪声，武器内埋系统和飞机结构振动难以避免，抖振和舱门颤振出现的可能性更大。由于当前计算机与数值模拟技术下，非定常气动力精细准确模拟困难，缩尺动力相似模型风洞试验难以精确模拟和获得飞行实物结构及运动机构的固有振动模态、结构阻尼和动态响应特性。因此，在飞机，尤其是武器内埋系统设计研制过程中，开展全尺寸内埋武器舱关键技术高速风洞试验验证十分必要。

在2.4米风洞进行全尺寸内埋武器舱演示验证试验时，由于全尺寸武器舱开闭速度快、舱门堵塞度大、舱体容积大等因素，使得流场控制波动幅度大，常规控制方法难以建立可靠的高速风洞流场。其次由于2.4米风洞为暂冲式跨声速风洞，风洞充压启动和快速关车的特性，使内埋武器舱门和测试系统受到较大的冲击，影响设备工作性能，严重时甚至导致结构破坏，影响试验安全。鉴于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的特殊需求，针对暂冲式风洞流场控制的实际特性，提出了一种新型的流场控制方法，能够适应舱门开闭过程中试验段体积剧烈变化以及舱门扰动影响，建立可靠地高速风洞流场，从而保证全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的正常开展。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，提供一种能适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验要求的流场控制方法，且风洞启动/关车阶段总压P₀速率可控、稳态调节阶段流场波动幅度小。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，包括下列步骤：

a.风洞变速压P_sy启动阶段，为避免冲压启动使舱门和测试系统冲击受损，控制试验段P_sy按设定值缓慢上升，由P_sy计算公式可知，在一定条件下，P_sy与P₀成正比，即可通过控制P₀实现P_sy的控制。P₀采用斜坡控制方式，以保证P₀的上升速度可控，通过主调压阀协助主排气阀控制P₀，为避免P_sy超调，采用分段控制方式。

b.流场稳态调节阶段，为降低舱门开/闭过程对流场造成的大幅波动，采用以下两种控制方式：

一是内埋武器舱舱门阶梯开启时，分阶梯预置栅指位置或驻室流量阀开度以实现流场快速跟随，对流场进行调节；

二是内埋武器舱舱门快开/快关工况时，由于栅指机构或驻室流量阀无法快速对流场进行调节，且易造成试验段流场的大幅波动，通过固定栅指或驻室流量阀的调节方式。

c.风洞变速压关车阶段，上位机设定P₀下降速度和关车时P₀值，通过斜坡闭环控制方式对P₀进行控制，待P₀至关车P₀值后，发出关车命令。

在上述方案中，所述的斜坡控制方法为：通过对PLC编程环境中10ms定时器进行编程，产生一数列，将设定速度除以100，再乘以定时器产生的数列，通过与P₀初值迭代比较，更新控制量。

在上述方案中，所述的P₀分段控制方法为：P₀斜坡控制直至P₀设定值的0.8～0.95倍时，为避免P₀超调，将P₀上升斜率乘以0.2～0.5。其间主调从初始位置以恒定速率开至设定值，为避免主调振荡，主调初始位置大于等于50mm。

在上述方案中，所述的预置舱门开度对应预置栅指位置或驻室流量阀开度，需不断基于历史数据进行修正。

与现有技术相比，本方法具有以下优点：

1)由于启动/关车阶段对P₀采用斜坡和分段的闭环控制方式，相比充压启动和直接关车方式，具有P_sy升降速率可控、超调量小的特点。其次，斜坡控制方式较颤振基于运动规律法的变P_sy控制策略，具有算法简单，工程适应性强的显著优点；

2)针对四代机内埋武器舱的高速风洞验证试验，本方法在流场稳态调节阶段，根据舱门开启的工况采用了固定栅指和驻室流量阀、预置栅指位置和驻室流量阀开度的控制方式，有效降低了舱门开启过程对风洞流场造成的大幅波动。

附图说明

图1为本发明的控制时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

风洞控制系统控制变量主要有：马赫数M_a、主引射压力P_zy、P₀以及试验段静压P_ct。其中，M_a由P₀和P_ct通过等熵公式计算得到，P_zy通过主调压阀控制、P₀由主排气阀控制、P_ct由栅指机构(0.3≤M_a≤0.9)、驻室流量阀(1.05＜M_a≤1.2)以及栅指机构和驻室流量阀配合调节(0.9＜M_a≤1.05)。

由全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的需求可知，首先需在启动/关车阶段控制P_sy缓慢升降，以避免对武器舱门及测试设备造成冲击；其次，在舱门开启/关闭过程中尽量降低流场的大幅波动。由此，本发明的流场控制过程可分为风洞变P_sy启动、稳态调节阶段的栅指/驻流控制以及变P_sy关车三个控制环节。

一、风洞变P_sy启动阶段由主调压阀开启直至P₀和P_zy达到设定值，在此过程中要求P_sy缓慢上升。由P_sy计算公式：

P_sy＝0.7×P₀×(1+0.2×M_a ²)^-3.5×M_a ² (1)

可知，在M_a一定的条件下，P_sy与P₀成正比，即可以通过改变P₀值来改变P_sy。P₀由主调压阀协助主排气阀进行控制，本环节所涉及的具体步骤是：

(1)由试验所需M_a、P₀(P₀₃)，得出对应的P_zy、主排气阀稳态位置(S₀₃)、以及主调压阀初始位置(S₁₁)；

(2)根据P₀从P₀₁到P₀₂到P₀₃的上升速率要求，由公式：

其中，P₀₁为初始P₀、V₁为P₀上升速率、P₀₃为设定稳态P₀、P₀₂等于0.8～0.95倍P₀₃，即P₀切换点、V₂等于0.2～0.5倍V₁，计算出P₀上升速率V₁阶段所需时间t₁和V₂阶段所需时间t₂；

(3)由步骤(2)的V₁、V₂值，通过对PLC编程环境中10ms定时器进行编程，产生一数列，将设定速度V₁、V₂除以100，再乘以定时器产生的数列，通与P₀的当前初值迭代计算，不断更新控制量，控制主排气阀开启速度，实现P₀的斜坡控制；

(4)由T＝t₁+t₂，计算出P_zy从初值到设定值开启的速度，采用步骤(3)的斜坡控制方式完成P_zy的控制，协助完成P₀的控制。

二、流场稳态调节阶段，待P_sy与P₀达到设定值后，栅指机构或是驻室流量阀对P_ct进行精确调节，直到风洞流场稳定后，内埋武器舱按预定流程进行验证试验，在此过程中，为实现流场快速跟随、避免大幅波动，采用以下两种控制方式：

(1)舱门快开/快关工况下，由于栅指机构或驻室流量阀无法快速响应流场的剧烈变化，甚至可能加剧流场波动，因此采用固定栅指或驻室流量阀的调节方式；

(2)舱门阶梯开启过程中，采用分阶梯预置舱门开度对应的栅指位置或驻室流量阀开度的方式对流场进行进一步的调节。

三、变速压关车阶段，待内埋武器舱门完成预定流程动作后，为避免P_sy快速回落对内埋武器舱和测试系统的冲击，需要将风洞P_sy降至安全边界后再关闭阀门，本环节所涉及的具体步骤是：

(1)由P_sy的安全边界和下降速度计算出关车P₀(P₀₄)和P₀下降速度(V₃)；

(2)由公式：P₀₄＝P₀₃-V₃×t₃ (3)

计算出P₀由P₀₃下降至P₀₄的时间t₃，通过斜坡控制方式控制P₀下降，同时通过主调压阀控制P_zy下降，待P₀下降至P₀₄后，直接发出风洞关车命令，关闭阀门。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本发明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，其特征是：包括有以下控制步骤：

a.风洞变速压启动阶段，为避免冲压启动使舱门和测试系统冲击受损，控制试验段速压P_sy按设定值缓慢上升，由P_sy计算公式可知，在一定条件下，P_sy与总压P₀成正比，即可通过控制P₀实现P_sy的控制；P₀采用斜坡控制方式，以保证P₀的上升速度可控，通过主调压阀协助主排气阀控制P₀，为避免P_sy超调，采用分段控制方式；

b.流场稳态调节阶段，为降低舱门开/闭过程对流场造成的大幅波动，采用以下两种控制方式：

一是内埋武器舱舱门阶梯开启时，分阶梯预置栅指位置或驻室流量阀开度以实现流场快速跟随，对流场进行调节；

二是内埋武器舱舱门快开/快关工况时，由于栅指机构或驻室流量阀无法快速对流场进行调节，且易造成试验段流场的大幅波动，通过固定栅指或驻室流量阀的调节方式；

c.风洞变速压关车阶段，上位机设定P₀下降速度和关车时P₀值，通过斜坡控制方式对P₀进行控制，待P₀至关车P₀值后，发出关车命令。

2.根据权利要求1所述的一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，其特征是：步骤a、步骤c中所述的斜坡控制方式为：通过对PLC编程环境中10ms定时器进行编程，产生一数列，将设定速度除以100，再乘以定时器产生的数列，通过与P₀初值迭代比较，更新控制量。

3.根据权利要求1所述的一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，其特征是：步骤a中所述的P₀分段控制方法为：P₀斜坡控制直至P₀设定值的0.8～0.95倍时，为避免P₀超调，将P₀上升斜率乘以0.2～0.5；其间主调从初始位置以恒定速率开至设定值，为避免主调振荡，主调初始位置大于等于50mm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于全尺寸内埋武器舱高速风洞试验的流场控制方法，其特征是：步骤b中所述的阶梯开启内埋武器舱门工况下，需不断基于历史数据对预置舱门开度对应的栅指位置或驻室流量阀开度进行修正。