CN113252289A - 一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法 - Google Patents

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李�浩
赵忠良
李乾
周小志
王晓冰
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李玉平
杨海泳
陈建中
徐扬帆
苗磊
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Abstract

本发明公开了一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法。本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法包括：步骤一：风洞虚拟飞行试验准备；步骤二：试验模型俯仰自由度和滚转自由度释放；步骤三：俯仰和滚转机动飞行控制律执行；步骤四：风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；步骤五：新参数状态的风洞虚拟飞行试验执行。本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法充分利用大型风洞能够实现飞行物理环境真实模拟、高效准确和低成本可重复模拟的优点，建立了适用于飞行器气动/运动/控制性能集成评估验证的风洞虚拟飞行试验方法，是现有数字建模仿真、半实物仿真和飞行试验方法之外的创新方法手段，对飞行器飞行控制优化设计和性能评估具有重要的技术支撑意义。

Description

一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法
技术领域
本发明属于风洞试验和飞行试验交叉技术领域，具体涉及一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法。
背景技术
目前，飞行器气动和飞行控制性能评估验证主要以串行方式开展，飞行/控制性能验证基本上是以建模仿真为主，最终通过飞行试验评估验证气动/控制性能。但是，由于升力体飞行试验风险大、成本高和周期长，飞行试验验证只能针对典型状态少量开展。
当前，亟需发展一种用于飞行器气动/运动/控制性能集成评估验证的两自由度风洞虚拟飞行试验方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法。
本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法，包括以下步骤：
步骤一：风洞虚拟飞行试验准备；
启动飞行控制***；调整试验模型的俯仰角、滚转角、气动舵面至0°，锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，锁定试验模型气动舵面；设定试验模型俯仰和滚转机动的俯仰角指令和滚转角指令；开启风洞视频监控，实时检测试验模型状态；
步骤二：试验模型俯仰自由度和滚转自由度释放；
根据风洞虚拟飞行试验要求，设定风洞流场控制参数，启动风洞，待流场稳定后，同时释放试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，允许试验模型自由俯仰运动和自由滚转运动；
步骤三：俯仰和滚转机动飞行控制律执行；
根据设定的俯仰角指令和滚转角指令，执行飞行控制律，运动参数测量设备测量试验模型的俯仰角和俯仰角速度、滚转角和滚转角速度；飞行控制***实时同步接收运动参数信号，反馈至飞行控制律；飞行控制律根据试验模型的真实角度与目标值之间的偏差，给出舵面偏转指令；试验模型在舵面产生的气动力和力矩驱动下，开始俯仰运动和滚转运动，俯仰角和滚转角向目标值逼近，直至试验模型的真实角度达到目标值，完成预设的俯仰和滚转机动运动。在试验模型机动过程中，实时处理和显示试验结果，实时监测试验状态；
步骤四：风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
试验模型的俯仰角指令和滚转角指令全部执行完毕后，飞行控制律给出0°俯仰角指令和0°滚转角指令。重复执行步骤三的过程，使试验模型的俯仰角和滚转角回到初始0°位置；锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度；风洞关车，风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
步骤五：新参数状态的风洞虚拟飞行试验执行；
重新设定一组风洞虚拟飞行试验的俯仰角指令和滚转角指令、相关的风洞流场控制参数，重复执行步骤一~步骤四的过程，完成新参数状态下的风洞虚拟飞行试验。
本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法充分利用大型风洞能够实现飞行物理环境真实模拟、高效准确和低成本可重复模拟的优点，建立了适用于飞行器气动/运动/控制性能集成评估验证的风洞虚拟飞行试验方法，是现有数字建模仿真、半实物仿真和飞行试验方法之外的创新方法手段，对飞行器飞行控制优化设计和性能评估具有重要的技术支撑意义。
本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法相较于传统建模仿真方法更加真实准确，验证结果更加可靠；相较于飞行试验方法，评估验证成本和风险更低，且更加高效。
附图说明
图1为本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法的流程图；
图2为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法的试验模型的俯仰舵偏角和滚转舵偏角控制流程图。
图3a为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型俯仰角指令θ cmd与真实俯仰角θ的时间历程曲线；
图3b为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型滚转角指令φ cmd与真实滚转角φ的时间历程曲线；
图3c为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型俯仰舵偏角δ z的时间历程曲线；
图3d为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型滚转舵偏角δ x的时间历程曲线；
图3e为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型俯仰角速度q的时间历程曲线；
图3f为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型滚转角速度p的时间历程曲线；
图3g为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型法向力***C N 的时间历程曲线；
图3h为采用本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法获得的试验模型侧向力***C Z 的时间历程曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法包括以下步骤：
步骤一：风洞虚拟飞行试验准备；
启动飞行控制***；调整试验模型的俯仰角、滚转角、气动舵面至0°，锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，锁定试验模型气动舵面；设定试验模型俯仰和滚转机动的俯仰角指令和滚转角指令；开启风洞视频监控，实时检测试验模型状态；
步骤二：试验模型俯仰自由度和滚转自由度释放；
根据风洞虚拟飞行试验要求，设定风洞流场控制参数，启动风洞，待流场稳定后，同时释放试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，允许试验模型自由俯仰运动和自由滚转运动；
步骤三：俯仰和滚转机动飞行控制律执行；
根据设定的俯仰角指令和滚转角指令，执行飞行控制律，运动参数测量设备测量试验模型的俯仰角和俯仰角速度、滚转角和滚转角速度；飞行控制***实时同步接收运动参数信号，反馈至飞行控制律；飞行控制律根据试验模型的真实角度与目标值之间的偏差，给出舵面偏转指令；试验模型在舵面产生的气动力和力矩驱动下，开始俯仰运动和滚转运动，俯仰角和滚转角向目标值逼近，直至试验模型的真实角度达到目标值，完成预设的俯仰和滚转机动运动。在试验模型机动过程中，实时处理和显示试验结果，实时监测试验状态；
步骤四：风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
试验模型的俯仰角指令和滚转角指令全部执行完毕后，飞行控制律给出0°俯仰角指令和0°滚转角指令。重复执行步骤三的过程，使试验模型的俯仰角和滚转角回到初始0°位置；锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度；风洞关车，风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
步骤五：新参数状态的风洞虚拟飞行试验执行；
重新设定一组风洞虚拟飞行试验的俯仰角指令和滚转角指令、相关的风洞流场控制参数，重复执行步骤一~步骤四的过程，完成新参数状态下的风洞虚拟飞行试验。
实施例1
如图2所示，本实施例在大型风洞真实气流环境中，通过飞行控制***的飞行控制律，给出试验模型的俯仰角指令和滚转角指令。同时，运动参数测量设备测量出试验模型的俯仰角和俯仰角速度、滚转角和滚转角速度，并实时同步传输到飞行控制***中，作为飞行控制律的反馈信号。飞行控制律根据试验模型的真实俯仰角和俯仰角指令之间的偏差、真实滚转角和滚转角指令之间的偏差，进一步给出舵面偏转指令，在试验模型上产生适当的俯仰力矩，驱动试验模型俯仰和滚转运动，使试验模型的俯仰角和滚转角趋向于俯仰角指令和滚转角指令。此过程不断循环，直至试验模型的真实俯仰角和滚转角达到飞行控制律给出的俯仰角目标值和滚转角目标值，完成预期的俯仰和滚转机动运动，在试验过程中，气动参数测量设备同步测量出试验模型的气动力和力矩，从而实现飞行器气动/运动/控制性能集成评估验证。
式（1）给出了两自由度风洞虚拟飞行试验的俯仰角指令θ cmd、滚转角指令φ cmd的典型状态参数条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
本实施例中的气动参数测量设备能够同步测量和实时记录俯仰角、滚转角、气动力和力矩等物理量的时间历程曲线，所获得的典型的物理量时间历程曲线见图3a~3h。从图3a~3h可以看出，本发明的两自由度风洞虚拟飞行试验方法能够在风洞中实现飞行器俯仰和滚转运动的飞行控制，具备飞行器气动/运动/控制性能集成评估验证能力。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种两自由度风洞虚拟飞行试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：风洞虚拟飞行试验准备；
启动飞行控制***；调整试验模型的俯仰角、滚转角、气动舵面至0°，锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，锁定试验模型气动舵面；设定试验模型俯仰和滚转机动的俯仰角指令和滚转角指令；开启风洞视频监控，实时检测试验模型状态；
步骤二：试验模型俯仰自由度和滚转自由度释放；
根据风洞虚拟飞行试验要求，设定风洞流场控制参数，启动风洞，待流场稳定后，同时释放试验模型的俯仰自由度和滚转自由度，允许试验模型自由俯仰运动和自由滚转运动；
步骤三：俯仰和滚转机动飞行控制律执行；
根据设定的俯仰角指令和滚转角指令，执行飞行控制律，运动参数测量设备测量试验模型的俯仰角和俯仰角速度、滚转角和滚转角速度；飞行控制***实时同步接收运动参数信号，反馈至飞行控制律；飞行控制律根据试验模型的真实角度与目标值之间的偏差，给出舵面偏转指令；试验模型在舵面产生的气动力和力矩驱动下，开始俯仰运动和滚转运动，俯仰角和滚转角向目标值逼近，直至试验模型的真实角度达到目标值，完成预设的俯仰和滚转机动运动；在试验模型机动过程中，实时处理和显示试验结果，实时监测试验状态；
步骤四：风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
试验模型的俯仰角指令和滚转角指令全部执行完毕后，飞行控制律给出0°俯仰角指令和0°滚转角指令；重复执行步骤三的过程，使试验模型的俯仰角和滚转角回到初始0°位置；锁定试验模型的俯仰自由度和滚转自由度；风洞关车，风洞虚拟飞行试验单次吹风结束；
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