一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統的製作方法

2023-12-02 20:07:36

專利名稱：一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量控制技術領域，尤其是一種風洞實驗獲得空降物體空間軌跡的模擬系統。
背景技術：
安全、高效完成多路連續空降任務是大型運輸機先進性和空降物體的能力的重要標誌。連續多路空降可以縮短時間和距離，減少投放誤差，縮小空降物體的著陸範圍，降低對著陸場的面積要求。在多路連續空降構型下，飛機多個艙門同時打開，外部氣流和內部串流相互幹擾，飛機和空降物體處於非定常流動環境中，嚴重影響飛行安全。採用飛行實驗解決此問題成本高、危險性大。使用CFD(計算流體力學)技術由於要進行很多假設和邊界條件的限制，可以給出一些指導性的結論，但與真實的飛行狀態還有較大的差距。而在風洞中進行弱幹擾條件下的多路連續空降實驗，可較為全面模擬實際的複雜流動環境，真實、 快速、準確獲得運輸機在外部氣流和內部串流相互幹擾時空降物體軌跡的各種數據。為此， 國內外都在積極的進行這方面的研究。例如文獻《Aerodynamic Forces on an Airdrop Platform》禾口《The Motion and Aerodynamics of an Airdrop Platform》在水洞中對空投平臺的氣動力進行了研究分析，但是此平臺不能有效捕捉動態流體的短暫特性。文獻 《Four-Powers Long Term Technology Projects :"Airflow Influence on Airdrop"and "2nd precision Airdrop Improvements」》在風洞中對典型運輸機進行各種外形的詳細風洞實驗，包括艙門不開啟、後門開啟、側門開啟、各種甲板角度等，並全面進行了流動流場的研究，用PIV(粒子圖像測速儀)、雷射片光、多孔探頭測量流場的動態特性，如機身的上體回掃渦和後門開啟渦，然後與CFD結果進行比較。以上文獻均在風洞及水洞對空降構型及其產生的複雜流場進行實驗研究。綜合國內外公開的研究資料，結合我國目前實際飛行平臺尚未完善、在風洞中還未見到連續投放的實驗的情況，進行風洞模擬空降的條件更應該接近真實情況。我們知道，在風洞中要真實模擬飛機的空降運動大部分是從不同位置進行的，飛機多個艙門同時打開，外部氣流和內部串流相互幹擾，另外在多路連續空降時和飛機攻角或側滑角較大時，飛機受到的氣動載荷是不穩定的，同時飛機、空降物體和牽引傘包處於非定常流動環境中又增加了不穩定。所以根據多路連續空降軌跡所進行的模擬系統的要求通過以下技術1、獲得空降物體出艙時的姿態、作用力及運動全過程空間動態軌跡。2、必須模擬動態載荷對飛機操控性的影響，確定安全邊界。3、由於運輸機模型內部空間有限，必須滿足多路連續投放的條件。4、最終達到獲得多個艙門開啟不同組合狀態對飛機氣動載荷不穩定的規律，提供數值仿真和控制系統所需的數據。現有技術尚無法獲得多個艙門開啟不同組合狀態對飛機氣動載荷不穩定的規律和提供數值仿真和控制系統的數據。
發明內容為了克服現有技術無法獲得多個艙門開啟不同組合狀態對飛機氣動載荷不穩定的規律和提供數值仿真和控制系統的數據的不足，本發明提供一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡數據的模擬系統，可以獲得空降物體出艙時的姿態、作用力及運動全過程空間動態軌跡並對飛機操控性的影響而確定安全邊界，採用MEMS(微型機電系統)技術研製微型尺寸連續投放機構以滿足多路連續投放的條件，並得到多個艙門開啟不同組合狀態對飛機氣動載荷不穩定的規律和提供數值仿真和控制系統的數據，並為優化設計提供技術支持。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括風洞、模型支撐系統、運輸機模型、氣動力測量系統、測力天平、工業控制機、環境評估系統、特徵樣本資料庫、角度控制系統、兩個同步控制系統、四個投放機構、兩臺具有兩個鏡頭可分別控制的高速攝影機和四個物體模型。運輸機模型通過模型支撐系統安裝在風洞中，測力天平安裝在模型支撐系統和運輸機模型之間，角度控制系統控制模型支撐系統進行角度轉動，進而使運輸機模型改變迎角和側滑角，測力天平的輸出信號通過氣動力測量系統傳輸到工業控制機；四個投放機構分別安裝在運輸機模型的左前位置、左後位置、右前位置和右後位置，工業控制機通過左路同步控制系統控制左前投放機構和左後投放機構同步投放空降物體模型，通過右路同步控制系統控制右前投放機構和右後投放機構同步投放空降物體模型，環境評估系統連接特徵樣本資料庫導入計算得到的標準參數與實驗的參數進行比對，進行驗證，一臺高速攝影機的兩個鏡頭分別放置在運輸機模型的左前端和右前端，另一臺高速攝影機的兩個鏡頭分別放置左後端和右後端，分別拍攝四個空降物體模型的運動。所述的特徵樣本資料庫由EEPR0M(電可擦除只讀存儲器)組成。風洞實驗獲得多路連續空降軌跡數據的模擬系統所面對的是一個多參數變量，對多參數變量進行計算後得到標準值並放入EEPROM中，存儲了經計算後風洞用於實驗的標準值，在實驗時需要根據實驗結果與經計算後得到標準值進行比較，每一個參數對應一個或一組計算參數和實驗得到的參數。標準值包括氣動力參數、模型角度參數、環境參數、連續投放時間參數、彈簧參數、 開閉艙門參數、空降物體運動軌跡參數、初始速度參數、出艙姿態角度參數。所述投放機構包括小型步進電機、齒輪、傳輸帶、彈簧、空降物體模型、光電接近開關和測力傳感器。工業控制機控制小型步進電機轉動，通過齒輪、傳輸帶、彈簧將空降物體模型拋出，光電接近開關記錄空降物體模型拋出時的初始位置，彈簧連接測力傳感器記錄空降物體的出艙力度大小和方向並反饋給工業控制機，對空降物體模型出艙姿態角度經計算進行參數修正，以保證空降物體模型出艙姿態角度準確。所述環境評估系統由溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速傳感器組成，溫度傳感器、溼度傳感器、大氣參數傳感器、控制來流風速傳感器分別連接工業控制機。環境評估系統是風洞實驗獲得數據的一個外部重要的環境參數，環境評估系統存儲了溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速的經計算得到的標準值，在實驗時，由工業控制機分別導出標準值實時參與風洞實驗獲得數據的計算和修正。本發明的有益效果是提供在風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，可以真實、快速、準確獲得運輸機在外部氣流和內部串流相互幹擾的空降物體空降空間動態軌跡，研究動態載荷對飛機操控性的影響，確定安全邊界，為數值仿真和控制系統提供關鍵數據。本模擬系統還可以應用於其它工業生產、科學研究等領域，其社會效益和經濟效益顯著。

[0009]圖1是本發明的裝置示意圖；(其中虛線是光路)圖2是特徵樣本資料庫示意圖；圖3投放機構示意圖；圖4環境評估系統示意圖。
具體實施方式
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是包括風洞、模型支撐系統、運輸機模型、氣動力測量系統、測力天平、工業控制機、環境評估系統、特徵樣本資料庫、角度控制系統、左路同步控制系統、左前投放機構、物體模型1、右前投放機構、物體模型2、(具有兩個鏡頭可分別控制的)高速攝影機、右路同步控制系統、左後投放機構、物體模型3、右後投放機構、物體模型4、後端高速攝影機。模型支撐系統安裝在風洞中，測力天平安裝在支撐系統上，運輸機模型安置在測力天平上，角度控制系統由機械傳動控制模型支撐系統進行角度轉動，進而使運輸機模型改變迎角和側滑角，測力天平的輸出信號連接到氣動力測量系統， 工業控制機連接環境評估系統和特徵樣本資料庫導入多參數變量計算得到的標準值用於風洞實驗，氣動力測量系統用於測量測力天平氣動力的數值並傳輸到工業控制機，工業控制機控制左路同步控制系統同步進行左前投放機構和左後投放機構空降物體模型的投放工作，工業控制機控制右路同步控制系統同步進行右前投放機構和右後投放機構空降物體模型的投放工作，環境評估系統連接特徵樣本資料庫導入計算得到的標準參數與實驗的參數進行比對，進行驗證，前端的高速攝影機有兩個鏡頭分別放置左前端和右前端，分別拍攝空降物體模型1和空降物體模型2，後端的高速攝影機有兩個鏡頭分別放置左後端和右後端，分別拍攝空降物體模型3和空降物體模型4。所述的特徵樣本資料庫由EEPR0M(電可擦除只讀存儲器)組成。風洞實驗獲得多路連續空降軌跡數據的模擬系統所面對的是一個多參數變量，對多參數變量進行計算後得到標準值並放入EEPROM中，存儲了經計算後風洞用於實驗時的標準值，在實驗時需要根據實驗結果與經計算後得到標準值進行比較，每一個參數對應一個或一組計算參數和實驗得到的參數。標準值包括氣動力參數、模型角度參數、環境參數、連續投放時間參數、彈簧參數、開閉艙門參數、空降物體運動軌跡參數、初始速度參數、出艙姿態角度參數。所述投放機構(左前、右前、左後、右後投放機構)由小型步進電機、齒輪、傳輸帶、 專用彈簧、空降物體模型、光電接近開關、測力傳感器組成。小型步進電機通過齒輪、傳輸帶、專用彈簧連接空降物體模型，空降物體模型通過光路連接光電接近開關，專用彈簧通過測力傳感器連接工業控制機，光電接近開關通過電路連接工業控制機。工業控制機控制小型步進電機轉動，通過齒輪、傳輸帶、專用彈簧將空降物體模型拋出，光電接近開關記錄空降物體模型拋出時的初始位置，測力傳感器記錄空降物體的出艙力度大小和方向並反饋給工業控制機，同時測力傳感器實際測量專用彈簧力的大小和方向的目的是對空降物體模型出艙姿態角度經計算進行參數修正，以保證空降物體模型出艙姿態角度準確。所述環境評估系統由溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速傳感器組成，溫度傳感器、溼度傳感器、大氣參數傳感器、控制來流風速傳感器分別連接工業控制機。環境評估系統是風洞實驗獲得數據的一個外部重要的環境參數，環境評估系統存儲了溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速的經計算得到的標準值，在實驗時，由工業控制機分別導出標準值實時參與風洞實驗獲得數據的計算和修正。
以下結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統示意圖，型號是HZH-YSJ 運輸機模型通過名稱是HZH-YZZC翼尖風洞支撐系統安裝在名稱為NF-3的風洞上，型號是HZH-YSJ運輸機模型連接型號是HZH-JD角度系統，角度系統的變化範圍-4° -15°並連續可調。運輸機模型安置在測力天平上，通過型號是HZH-YSJMX的大型測力天平連接型號是VXI16015S的氣動力測量系統，測力天平採用速度IOOKHz的測量系統，完成測量運輸機模型天平的升力、阻力、側力的輸出及其對應力矩的工程量轉換。工業控制機採用型號是IPC610分別連接氣動力測量系統、角度控制系統、型號是RSC-406左路同步控制系統、 型號是RSC-406右路同步控制系統、採用型號是HG-100K的後端專業高速攝影機、型號是 HG-100K的前端專業高速攝影機、特徵樣本資料庫選用型號是ATMC32的EEPROM的存儲晶片。左路同步控制系統分別連接型號是HZH-TFJG的左前投放機構、HZH-TFJG的左後投放機構。右路同步控制系統分別連接型號是HZH-TFJG的右前投放機構、HZH-TFJG右後投放機構。左前投放機構通過型號是HZH-SB空降物體模型1用光路連接型號是HG-100K的前左端的專業高速攝影機。右前投放機構通過型號是HZH-SB空降物體模型2用光路連接型號是HG-100K的前右端的專業高速攝影機。左後投放機構通過型號是HZH-SB空降物體模型3用光路連接型號是HG-100K的後端專業高速攝影機。右後投放機構通過型號是HZH-SB 空降物體模型4用光路連接後左端專業高速攝影機。前端的專業高速攝影機有兩個鏡頭分別放置右前端和左前端，後端的專業高速攝影機有兩個鏡頭分別放置右後端和左後端。4個鏡頭對投放物軌跡進行高速攝影，高速攝影得到的4路空降物體模型運動軌跡輸入到工業控制機。圖2選用型號是ATMC32的EEPROM的存儲晶片。存儲晶片存儲經計算後得到標準值分為若干個參數存儲在存儲區中有氣動力參數、模型角度參數、環境參數、連續投放時間參數、彈簧參數、開閉艙門參數、空降物體運動軌跡參數、初始速度參數、出艙姿態角度參數並分別連接工業控制機。圖3是投放機構示意圖，所述投放機構由型號是HZH-BJDJ的小型步進電機通過型號是HZH-CL的齒輪、型號是HZH-CSD的傳輸帶、型號是42KB-T2LPSR-A2的光電接近開關、 型號是HZH-ZYTH的專用彈簧、型號是HZH-SB的空降物體模型連接型號是42KB-T2LPSR-A2 光電接近開關。專用彈簧通過型號是L0101的測力傳感器連接工業控制機。工業控制機控制小型步進電機轉動，通過齒輪、傳輸帶、專用彈簧將空降物體模型拋出，光電接近開關記錄空降物體模型拋出時的初始位置，測力傳感器記錄空降物體的出艙力度大小和方向並反饋給工業控制機，同時測力傳感器實際測量專用彈簧力的大小和方向的目的是對空降物體模型出艙姿態角度經計算進行參數修正，以保證空降物體模型出艙姿態角度準確。傳輸帶輸送投放物連續每次不少於3個，投放間隔時間1-20秒可調。在地面完成對所加工專用彈簧，通過不同的壓縮彈簧長度和使用測力傳感器來測量投放機構對空降物體模型出艙速度和出艙姿態接近計算最佳值。為了保證投放位置的精度控制採用接近式開關，並採用兩級檢測以保證投放空降物體模型的姿態。圖4是環境評估系統示意圖，其中溫度傳感器型號是PT100、溼度傳感器型號是 HMW61Y、大氣參數傳感器型號是RPT410、控制來流風速傳感器型號是ΡΡΤ0001DWW5VA-B分別連接工業控制機。環境評估系統是風洞實驗獲得數據的一個外部重要的環境參數，環境評估系統存儲了溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速的經計算得到的標準值，在實驗時， 由工業控制機分別導出標準值實時參與風洞實驗獲得數據的計算和修正。本發明與現有技術相比具有以下顯著的優勢1)在風洞中模擬真實複雜構型和非定常流動條件，獲得多路連續空降空降物體和飛機運動相互空間動態軌跡和處理技術。2)在運輸機模型有效空間內，提供MEMS技術研製微型連續投放機構，以滿足多路連續投放的條件。3)根據動態軌跡為數值仿真和控制系統提供關鍵技術數據，改進計算方法，進一步明確其邊界條件，準確確定安全邊界。4)測量投放機構對空降物體模型出艙速度、出艙姿態的準確測量和控制技術，為數值仿真提供關鍵實驗數據。一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡數據的模擬系統的工作順序。1、安裝和準備在NF-3風洞中將加工好的空心模型用翼尖支撐機構跨風洞壁安裝在風洞實驗段上。將整個模型和機構安裝在大型測力天平上，將連續投放機構按實驗要求安裝於模型內部，測力天平採用動態頻率響應大於IOOHz的大型測力天平。採用VXI數據測量系統測量升力、 阻力、側力以及對應的三個力矩。採用穩風速控制系統控制風洞的來流速度。由模型姿態角控制系統改變模型攻角和側滑角。採用投放控制系統控制空降物體或投放物的出艙速度、出艙姿態和投放次數。前端的專業高速攝影機有兩個鏡頭分別放置右前端和左前端，後端的專業高速攝影機有兩個鏡頭分別放置右後端和左後端分別對準空降物體模型。由工業控制機同步控制4個鏡頭對投放物軌跡進行高速攝影，高速攝影得到的4路空降物體模型運動軌跡得到的圖形信號輸入到工業控制機。2、工作過程從EEPRM0M存儲器導入多參數變量計算得到的標準值並根據實驗大綱步驟要求和需要初始選擇設置多變量參數並固定； 其中有，運輸機模型角度參數、彈簧參數、開閉艙門參數、初始速度參數、空降物體模型出艙姿態角度參數。改變環境參數(來流風速)。工業控制機經計算按一定速度和姿態將空降物體模型推出運輸機，同時測量氣動力參數、模型角度參數、環境參數、連續投放時間參數、 彈簧參數、開閉艙門參數的實際值和用專業高速攝影機動態記錄空降物體模型初始速度參數、出艙姿態角度參數、空降物體運動軌跡參數。可以獲得的出艙空降物體的高速軌跡、運輸機模型來流速度、姿態角度、控制機構的數據。初步用分析軟體擬合其空間軌跡；對軌跡和測力試驗數據進行分析後的標準參數。建立風洞實驗獲得多路連續空降軌跡數據的模擬後的數學模型，為數值仿真和精確空降提高數據。根據實驗大綱步驟要求和需要改變多變量參數進行下一步風洞實驗。最後達到獲得空降物體出艙時的姿態、作用力及運動全過程空間動態軌跡並對飛機操控性的影響確定安全邊界，得到多個艙門開啟不同狀態對飛機氣動載荷不穩定的影響規律，達到提供數值仿真和控制系統數據的目的。
權利要求1.一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，包括風洞、模型支撐系統、運輸機模型、氣動力測量系統、測力天平、工業控制機、環境評估系統、特徵樣本資料庫、角度控制系統、兩個同步控制系統、四個投放機構、兩臺具有兩個鏡頭可分別控制的高速攝影機和四個物體模型，其特徵在於運輸機模型通過模型支撐系統安裝在風洞中，測力天平安裝在模型支撐系統和運輸機模型之間，角度控制系統控制模型支撐系統進行角度轉動，進而使運輸機模型改變迎角和側滑角，測力天平的輸出信號通過氣動力測量系統傳輸到工業控制機；四個投放機構分別安裝在運輸機模型的左前位置、左後位置、右前位置和右後位置，工業控制機通過左路同步控制系統控制左前投放機構和左後投放機構同步投放空降物體模型，通過右路同步控制系統控制右前投放機構和右後投放機構同步投放空降物體模型，環境評估系統連接特徵樣本資料庫導入計算得到的標準參數與實驗的參數進行比對，進行驗證，一臺高速攝影機的兩個鏡頭分別放置在運輸機模型的左前端和右前端，另一臺高速攝影機的兩個鏡頭分別放置左後端和右後端，分別拍攝四個空降物體模型的運動。
2.根據權利要求1所述的風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，其特徵在於 所述的特徵樣本資料庫由EEPROM組成。
3.根據權利要求1所述的風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，其特徵在於 所述的投放機構包括小型步進電機、齒輪、傳輸帶、彈簧、空降物體模型、光電接近開關和測力傳感器，工業控制機控制小型步進電機轉動，通過齒輪、傳輸帶、彈簧將空降物體模型拋出，光電接近開關記錄空降物體模型拋出時的初始位置，彈簧連接測力傳感器記錄空降物體的出艙力度大小和方向並反饋給工業控制機，對空降物體模型出艙姿態角度經計算進行參數修正。
4.根據權利要求1所述的風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，其特徵在於 所述的環境評估系統由溫度、溼度、大氣參數傳感器、來流風速傳感器組成，溫度傳感器、溼度傳感器、大氣參數傳感器、來流風速傳感器分別連接工業控制機。
專利摘要本實用新型公開了一種風洞實驗獲得多路連續空降軌跡的模擬系統，運輸機模型通過測力天平和模型支撐系統安裝在風洞中，角度控制系統控制運輸機模型改變迎角和側滑角，測力天平的輸出信號通過氣動力測量系統傳輸到工業控制機；工業控制機通過同步控制系統控制投放機構同步投放空降物體模型，高速攝影機分別拍攝四個空降物體模型的運動，環境評估系統連接特徵樣本資料庫導入計算得到的標準參數與實驗的參數進行比對驗證。本實用新型可以真實、快速、準確獲得運輸機在外部氣流和內部串流相互幹擾的空降物體空降空間動態軌跡。
文檔編號G01M9/00GK202075114SQ20112011075
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者張彬乾, 惠增宏, 焦予秦, 金承信 申請人:西北工業大學