CN102494865A - 飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种在风洞中模拟飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动的实验装置，主要包括实验装置支座、俯仰运动装置、“L”型摇臂、偏航运动支杆和滚转运动支杆，主要特征在于俯仰运动装置中心轴线、偏航支杆的中心轴线和滚转支杆的中心轴线相互垂直，且三轴线相交于一点；俯仰运动装置固定在实验装置支座上，与“L”型摇臂的一端相连，带动“L”型摇臂做俯仰运动；而“L”型摇臂的另一端连接偏航支杆，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。滚转运动支杆、偏航运动支杆和俯仰运动装置的转轴均由电机驱动，电机前端加减速器，电机通过计算机控制，使实验模型按给定运动规律运动，并通过反馈控制算法提高控制精度。
Description
技术领域
本发明是一种在风洞实验中模拟再现飞行器俯仰偏航/滚转运动的实验装置，飞行器模型的运动是根据电机驱动的强迫模拟装置来实现的，让飞行器按给定的运动来运动，属于航空航天技术领域。
背景技术
近些年，出于研制新一代高机动战机的需要，针对大迎角出现的气动现象开始进行了深入研究，对于大迎角偏航滚转耦合问题也已被提上研究日程。
飞机的横航向耦合问题，在小迎角、小扰动线化意义上就是存在的，即飞机的偏航会引起滚转，飞机的滚转也会引起偏航，其典型运动模态为荷兰滚模态(Dutch roll)，这是一种线性耦合。但是到了大迎角状态，由于气动特性的强非线性，横航向耦合变得更强也更复杂，此时其典型的耦合运动形态是什么还不清楚，尚需做进一步研究，从而为飞机控制率设计提供技术支撑。对于大迎角横航向耦合气动特性的研究开始于气动力建模研究，Wang和Lan[1]通过把横航向气动力建模的结果与飞行数据比较发现，两者相差较大。他们认为，差异的原因是模型中没有很好的模拟横航向气动力的耦合效应。这要从两方面理解，一是气动力模型结构中要包括横航向耦合效应；二是辨识气动模型系数的气动力数据中要包括耦合效应。从风洞实验的角度，主要解决第二个问题。基于此，南航黄达、吴根兴等[2]采用偏航/滚转两自由度强迫运动机构测量了耦合运动时的气动力，发现大攻角耦合运动的气动力不等于两轴单独运动时气动力的叠加，说明横航向耦合运动之间存在强干扰，同时采用耦合运动气动力数据仿真出的飞机运动更为合理。
同时，战机的高机动动作一般是通过大攻角快速俯仰运动来实现的，因此研究飞行器在大攻角快速俯仰情况下的偏航/滚转耦合运动具有重要意义，这就需要研制俯仰/偏航/滚转三自由度模拟装置，其目的是研究飞行器偏航滚转耦合运动的运动形态和相应的气动机理，从而为我国新一代战机的大迎角设计提供实验基础。目前能够实现这类功能的强迫运动装置国内外尚未见到。而南航黄达、吴根兴等[2]采用的强迫运动机构只有偏航/滚转两个自由度。本发明将给出一种方便可行的技术方案实现该三自由度运动功能。
参考资料
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[2]黄达，吴根兴，飞机偏航-滚转耦合运动非定常空气动力实验，南京航空航天大学学报，第37卷，第4期，2005年8月
发明内容
本发明是模拟再现飞行器俯仰/偏航/滚转运动的实验装置。根据飞行器实际飞行中的时间历程或给定的任意运动，通过飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动模拟装置再现飞行器的运动。
一种模拟飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动的实验装置，主要包括实验装置支座、俯仰运动装置、“L”型摇臂、偏航运动支杆和滚转运动支杆。其中，俯仰转轴中心轴线、偏航支杆的中心轴线和滚转支杆的中心轴线相互垂直，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。俯仰转轴通过电机驱动，带动“L”型摇臂做俯仰运动；偏航支杆固定在“L”型摇臂的端部，通过电机驱动偏航转轴，偏航支杆通过一连接杆与滚转支杆相连，带动滚转支杆做偏航运动，滚转支杆通过电机驱动滚转转轴实现滚转运动。实验时，模型与滚转支杆的转轴固联，实现俯仰/偏航/滚转三自由度运动。做俯仰运动的“L”型摇臂另一端可加配重实现动平衡。三自由度运动的驱动电机可以是伺服电机或步进电机，电机前端加减速器，通过计算机控制电机转动，并通过反馈控制算法提高控制精度。偏航运动支杆包括与“L”型摇臂固联的外套筒和位于套筒内的转轴，转轴通过轴承固定在套筒内。滚转运动支杆包括与连接杆固联的外套筒和位于套筒内的转轴，转轴通过轴承固定在套筒内。
该技术方案可实现飞行器模型俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动，方案简易可行，可在风洞实验室中广泛应用。
附图说明
图1模拟飞行器俯仰/偏航/滚转运动的装置
图2模拟飞行器俯仰/偏航/滚转运动的装置简图
图3偏航/滚转耦合运动装置
图4滚转运动支杆
具体实施方式
图1给出了飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动模拟装置的一种实现方式，标识1、2和3分别为滚转支杆、偏航支杆和俯仰转轴，标识4、5和6分别为滚转支杆、偏航支杆和俯 仰转轴的中心线，三线相互垂直，相交于一点。标识7为气流流动方向。飞行器实验模型安装在滚转支杆上，迎着气流方向。标识3.3为实验装置支座，标识3.1为“L”型摇臂，标识3.2为驱动俯仰转轴及“L”型摇臂的电机，标识3.4为“L”型摇臂的配重块。“L”型摇臂由电机驱动，可转动角度改变模型的俯仰角，实现俯仰运动。图2为俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动模拟装置的简图，标识1为滚转支杆，标识2为俯仰转轴，标识3为“L”型摇臂。
图3给出了俯仰/偏航/滚转运动装置中的偏航/滚转运动装置部分。其中2.1为“L”型摇臂，即图1中的3.1。驱动偏航运动的电机2.2经减速器2.3将转动传到偏航转轴，2.4为偏航支杆的支撑框，2.6为圆弧连接杆，用来连接滚转支杆和偏航转轴，2.5为固定连接杆的支承座，该支座也与偏航转轴固联。标识1.1为滚转支杆连接接头，1.2为驱动滚转转轴的电机，1.3为减速器，1.4为滚转支杆的外套筒。
图4进一步给出了滚转运动支杆的内部结构。标识1.4.1和1.4.4为支撑滚转转轴的前后两个轴承。标识1.4.3为滚转转轴，标识1.4.2为滚转支杆的外套筒。
关于电机的控制方法，以偏航/滚转耦合运动为例，首先设定俯仰角，根据飞行器实际的偏航/滚转耦合运动设定模型姿态角随时间的变化规律，再将此变化规律转化为偏航电机和滚转电机所需脉冲数，由电脑控制板卡向驱动器发出指令，最后由驱动器驱动电机按所需运动形式运动。
Claims (6)
1.一种在风洞中模拟飞行器俯仰/偏航/滚转三自由度强迫运动的实验装置，主要包括实验装置支座、俯仰运动装置、“L”型摇臂、偏航运动支杆和滚转运动支杆，主要特征在于俯仰运动装置中心轴线、偏航支杆的中心轴线和滚转支杆的中心轴线相互垂直，且三轴线相交于一点；俯仰运动装置固定在实验装置支座上，与“L”型摇臂的一端相连，带动“L”型摇臂做俯仰运动；而“L”型摇臂的另一端连接偏航支杆，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，而滚转支杆中的滚转转轴则与模型固联；俯仰转轴、偏航转轴和滚转转轴都通过电机驱动来实现运动。
2.根据权利要求1所述装置，驱动滚转运动支杆、偏航运动支杆和俯仰运动装置的转轴的电机前端加减速器，电机通过计算机控制，使实验模型按给定运动规律运动，并通过反馈控制算法提高控制精度。
3.根据权利要求1所述装置，偏航运动支杆包括与“L”型摇臂固联的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，滚转运动支杆包括与连接杆固联的外套筒和位于套筒内的转轴，转轴通过轴承固定在套筒内。
5.根据权利要求1所述装置，做俯仰运动的“L”摇臂可在对称位置加配重实现动平衡。
6.根据权利要求1所述装置，对于连接偏航支杆和滚转支杆的连接杆，可在对称位置加配重实现动平衡。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120613 |