一种飞行器气动特性风洞测试装置与方法

摘要

本发明提出了一种飞行器气动特性风洞测试装置与方法，能够实现飞行器动态气动特性以及在高机动条件下的大姿态角变化下气动特性测试。本发明基于三轴旋转作动机构，安装固定风洞测试中的飞行器，通过作动机构的运动控制实现飞行器在指定姿态工况下的稳态气动特性测试和飞行器在三轴旋转指定瞬态工况下的动态气动特性测试，并通过三轴机构的设计实现飞行器更大横摆角、横滚角、俯仰角变化范围的气动特性测试。

权利要求

1.一种飞行器气动特性风洞测试装置，其特征在于，包括三轴旋转作动机构、气动天平以及基座，具体地，所述三轴旋转作动机构包括横摆角运动环、俯仰角运动环、横滚角运动轴、电机和角度传感器；其中，横滚角运动轴通过电机连接安装在俯仰角运动环内侧，横滚角运动轴可绕电机的旋转轴线旋转运动；电机中安装有角度传感器用于电机的运动控制，用于横滚角运动轴的角度测量；飞行器与横滚角运动轴通过气动天平刚性连接，使得气动天平测量飞行器在风洞实验中受到的气动六分力。

2.一种飞行器气动特性风洞测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述装置进行飞行器稳态气动特性测试，包括如下步骤：将飞行器安装固定于风洞内，在给定风速下，通过控制电机的输出角度调整设定飞行器到指定姿态角，电机达到指定转角位置后进行制动来锁定姿态角，由气动天平测量飞行器受到的气动六分力，改变姿态角再重复上述过程，逐步获取多种姿态角组合下飞行器的气动六分力，通过曲线拟合获得飞行器稳态气动特性曲线；

其中，气动特性稳态测试是某个姿态角单一变化的，或是三个姿态角的两两组合复合工况或三个姿态角整体复合工况；在实验中改变飞行器各舵面的角度测量相应工况下飞行器受到的气动六分力，并获得相应气动特性曲线。

3.一种飞行器气动特性风洞测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述装置进行飞行器动态气动特性测试，包括如下步骤：将飞行器安装固定于风洞内，在稳态气动特性测试基础上，进行动态气动特性的测量，具体如下：通过控制三个姿态角的调节电机实现姿态角的动态输入，让飞行器进行俯仰角的阶跃、正弦、方波、扫频和随机信号任意波形的运动，并同步采集测量飞行器受到的气动六分力，对测量获取的实验数据进行处理获得飞行器的动态气动特性参数和特性曲线；

采用同样方式进行横滚角、横摆角的动态气动特性的测量，获得相应工况气动特性曲线和特性参数；

进行三个姿态角的两两复合或三个姿态角整体复合工况的动态气动特性的测试。

说明书

一种飞行器气动特性风洞测试装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及飞行器气动特性测试技术领域，具体涉及一种飞行器气动特性风洞测试装置与方法。

背景技术

[0002] 飞行器的空气动力学特性是其设计开发和运动控制需要考虑的关键要素。飞行器气动特性的精确计算模拟还难以实现。因此，在飞行器开发阶段均需要进行飞行器实体模型的风洞实验测试获取其气动特性。目前的飞行器风洞实验方法是将飞行器用专用夹具安装固定于风洞内，在飞行器机舱内部安置气动天平（六分力传感器），在给定风速下测量飞行器在指定姿态（俯仰角、横摆角、横滚角等）和稳态条件下由气动天平测量出飞行器受到的气动六分力，从而获取飞行器的稳态气动特性。现有飞行器气动特性测试方法存在以下不足：

[0003] 1）飞行器在运行中经常处于非稳态的动态气动受力状态，其动态气动特性应用现有装置和方法无法获取；

[0004] 2）现有装置受其安装固定方式限制，所能实现的飞行器的姿态角范围较小，无法实现飞行器在高机动条件下的大姿态角变化下气动特性测试。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提出了一种飞行器气动特性风洞测试装置与方法，能够实现飞行器动态气动特性以及在高机动条件下的大姿态角变化下气动特性测试。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种飞行器气动特性风洞测试装置，包括三轴旋转作动机构、气动天平以及基座，具体地，所述三轴旋转作动机构包括横摆角运动环、俯仰角运动环、横滚角运动轴、电机和角度传感器；其中，横滚角运动轴通过电机连接安装在俯仰角运动环内侧，横滚角运动轴可绕电机的旋转轴线旋转运动；电机中安装有角度传感器用于电机的运动控制，用于横滚角运动轴的角度测量；飞行器与横滚角运动轴通过气动天平刚性连接，使得气动天平测量飞行器在风洞实验中受到的气动六分力。

[0008] 本发明还提供了一种飞行器气动特性风洞测试方法，采用本发明所述装置进行飞行器稳态气动特性测试，包括如下步骤：

[0009] 将飞行器安装固定于风洞内，在给定风速下，通过控制电机的输出角度调整设定飞行器到指定姿态角，电机达到指定转角位置后进行制动来锁定姿态角，由气动天平测量飞行器受到的气动六分力，改变姿态角再重复上述过程，逐步获取多种姿态角组合下飞行器的气动六分力，通过曲线拟合获得飞行器稳态气动特性曲线。

[0010] 其中，气动特性稳态测试是某个姿态角单一变化的，或是三个姿态角的两两组合复合工况或三个姿态角整体复合工况；在实验中改变飞行器各舵面的角度测量相应工况下飞行器受到的气动六分力，并获得相应气动特性曲线。

[0011] 本发明的一种飞行器气动特性风洞测试方法，采用本发明装置进行飞行器动态气动特性测试，包括如下步骤：将飞行器安装固定于风洞内，在稳态气动特性测试基础上，进行动态气动特性的测量，具体如下：

[0012] 通过控制三个姿态角的调节电机实现姿态角的动态输入，让飞行器进行俯仰角的阶跃、正弦、方波、扫频和随机信号任意波形的运动，并同步采集测量飞行器受到的气动六分力，对测量获取的实验数据进行处理获得飞行器的动态气动特性参数和特性曲线；

[0013] 采用同样方式进行横滚角、横摆角的动态气动特性的测量，获得相应工况气动特性曲线和特性参数。

[0014] 其中，进行三个姿态角的两两复合或三个姿态角整体复合工况的动态气动特性的测试。

[0015] 有益效果

[0016] 1、本发明装置基于三轴旋转作动机构，安装固定风洞测试中的飞行器，通过作动机构的运动控制实现飞行器在指定姿态工况下的稳态气动特性测试和飞行器在三轴旋转指定瞬态工况下的动态气动特性测试，并通过三轴机构的设计实现飞行器更大横摆角、横滚角、俯仰角变化范围的气动特性测试。基于三轴旋转作动装置的电机作动姿态角设定可以高效实现飞行器稳态气动特性测试的工况切换和自动化快速调节，提高实验效率和测试精度。通过姿态角调节电机的运动控制实现飞行器风洞实验中的稳态、动态气动特性测试，获取飞行器气动实验数据，为气动转矩系数表达式中速度、加速度相关特性参数确定提供实验数据支持，实现飞行器全工况气动特性的精确表达。

[0017] 2、本发明方法基于三轴旋转作动机构，安装固定风洞测试中的飞行器，通过作动机构的运动控制实现飞行器在指定姿态工况下的稳态气动特性测试和飞行器在三轴旋转指定瞬态工况下的动态气动特性测试，并通过三轴机构的设计实现飞行器更大横摆角、横滚角、俯仰角变化范围的气动特性测试。

[0018] 3、本发明方法基于三轴旋转作动装置的电机作动姿态角设定可以高效实现飞行器稳态气动特性测试的工况切换和自动化快速调节，提高实验效率和测试精度。通过姿态角调节电机的运动控制实现飞行器风洞实验中的稳态、动态气动特性测试，获取飞行器气动实验数据，为气动转矩系数表达式中速度、加速度相关特性参数确定提供实验数据支持，实现飞行器全工况气动特性的精确表达。

附图说明

[0019] 图1为本发明飞行器风洞实验装置示意图；

[0020] 图2 为本发明飞行器气动天平安装连接示意图；

[0021] 图3为本发明飞行器俯仰（攻角）姿态气动特性实验示意图；

[0022] 图4为本发明飞行器横滚姿态气动特性实验示意图；

[0023] 图5为本发明飞行器横摆姿态气动特性实验示意图；

[0024] 图6为本发明飞行器复合姿态气动特性实验示意图；

[0025] 图7为本发明飞行器姿态调节作动电机示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0027] 本发明飞行器气动特性风洞测试装置，基于三轴旋转作动机构，安装固定风洞测试中的飞行器，通过作动机构的运动控制实现飞行器在指定姿态工况下的稳态气动特性测试和飞行器在三轴旋转指定瞬态工况下的动态气动特性测试，并通过三轴机构的设计实现飞行器更大横摆角、横滚角、俯仰角变化范围的气动特性测试。

[0028] 本发明飞行器气动特性风洞测试装置如图 1所示，包括三轴旋转作动机构、气动天平以及基座1，具体地，所述三轴旋转作动机构包括横摆角运动环2、俯仰角运动环5、横滚角运动轴8及其与之连接的电机和角度传感器。

[0029] 其中，基座1安装固定于空气动力学风洞中，其框架轮廓略大于风洞风筒截面外轮廓，使其不受到实验风压作用并不干扰实验风场；基座1与横摆角运动环2通过横摆角运动环2上下端部的第一电机3旋转铰接，使得上下两旋转轴同轴并使得横摆角运动环2可绕该竖直轴AB旋转运动，第一电机3中安装有第一角度传感器4（如图7）用于电机的运动控制，也用于横摆角运动环2的角度测量；同理在横摆角运动环2内侧安装俯仰角运动环5，横摆角运动环2与俯仰角运动环5通过安装在与AB轴垂直的CD轴上的两个第二电机6旋转铰接，使得俯仰角运动环5可绕CD轴旋转运动。其中，AB轴是横摆角运动环绕其转动的转轴，该轴即为第一电机3转子绕其定子旋转的转轴；CD轴是俯仰角运动环绕其转动的转轴，该轴即为第二电机6转子绕其定子旋转的转轴。

[0030] 为减小俯仰运动环5对实验风场的影响，将俯仰运动环5的部分消除，使其成为非完整的环，第二电机6中同样安装有第二角度传感器7（（如图7））用于电机的运动控制，也用于俯仰角运动环5的角度测量；进一步在俯仰角运动环5内侧安装横滚角运动轴8，并通过第三电机9连接俯仰角运动环 5与横滚角运动轴8，使得横滚角运动轴8可绕第三电机9的旋转轴线EF轴旋转运动，EF轴是横滚角运动轴绕其转动的转轴，该轴即为第三电机9转子绕其定子旋转的转轴。第三电机9中同样安装有第三角度传感器10（（如图7））用于电机的运动控制，也用于横滚角运动轴8的角度测量；进一步将飞行器11与横滚角运动轴8通过气动天平12刚性连接，使得气动天平12可以测量飞行器在风洞实验中受到的气动六分力。

[0031] 基于本发明测试装置，本发明提出了一种飞行器气动特性风洞测试方法，包括飞行器稳态气动特性测试和飞行器动态气动特性测试，具体如下：

[0032] 1、飞行器稳态气动特性测试：

[0033] 将飞行器按如图1方式安装固定于风洞内，在给定风速下，通过控制电机的输出角度调整设定飞行器到指定姿态角，电机达到指定转角位置后进行制动来锁定姿态角，进一步由气动天平测量飞行器受到的气动六分力，改变姿态角再重复上述过程，逐步获取多种姿态角组合下飞行器的气动六分力，通过曲线拟合可获得飞行器稳态气动特性曲线。

[0034] 气动特性稳态测试可以是某个姿态角单一变化的，例如俯仰角姿态变化下气动特性稳态测试（如图3）、横滚角姿态变化下气动特性稳态测试（如图4）、横摆角姿态变化下气动特性稳态测试（如图5），也可以是三个姿态角的两两组合复合工况或三个姿态角整体复合工况（如图6）。在实验中也可改变飞行器各舵面的角度测量相应工况下飞行器受到的气动六分力，并获得相应气动特性曲线。

[0035] 2、飞行器动态气动特性测试：

[0036] 将飞行器安装固定于如图1中风洞内，在稳态气动特性测试基础上，进行动态气动特性的测量。通过控制三个姿态角的调节电机实现姿态角的动态输入，例如由电机驱动俯仰角运动环实现飞行器的俯仰角的动态输入（角度、角速度或角加速度），可以让飞行器进行俯仰角的阶跃、正弦、方波、扫频、随机信号等任意波形的运动，并同步采集测量飞行器受到的气动六分力，对测量获取的实验数据进行处理可获得飞行器的动态气动特性参数和特性曲线。

[0037] 以此方法同理可以进行横滚角、横摆角的动态气动特性的测量，获得相应工况气动特性曲线和特性参数。进一步还可以进行三个姿态角的两两复合或三个姿态角整体复合工况的动态气动特性的测试。

[0038] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。