專利名稱：基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst機動模擬方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種模擬戰(zhàn)斗機Herbst機動動作的方法及裝置，主要用于風(fēng)洞實驗研究，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航空科技的快速發(fā)展，戰(zhàn)斗機高機動性的要求日趨強烈。現(xiàn)在，高機動性已經(jīng)是新一代戰(zhàn)機所必需滿足的主要技術(shù)指標之一。而目前比較有名且具備實用意義的大迎角過失速機動戰(zhàn)術(shù)動作有“眼鏡蛇”機動、柯比特機動(Kulbit)、鐘擺機動(Bell)、赫布斯特機動(Herbst)等等。其中，Herbst機動力圖以最小半徑、最快速度改變機頭指向，從而使飛機迅速占據(jù)有利位置或迅速將機身指向目標，在空戰(zhàn)中獲得戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，是非常有代表性的機動。Herbst機動是以最早提出過失速機動概念的德國人Wolfgang Herbst命名的。該機動如圖1所示，飛機以0. 5馬赫數(shù)或更高速度進入(過程a)，急拉桿使迎角快速增加并降低飛行速度，直到超過失速迎角(過程b)，再繞速度矢量滾轉(zhuǎn)到一個新的飛行方向(過程c)，推桿使飛機低頭卸載并加速(過程d)，從而通過減小轉(zhuǎn)彎半徑的方式實現(xiàn)快速調(diào)頭的目的。由于該機動過程的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外關(guān)于Herbst機動的研究非常少。而對于這類復(fù)雜空氣動力學(xué)問題，較常用的研究手段是風(fēng)洞實驗，但在國內(nèi)風(fēng)洞中尚未見到可開展 Herbst機動過程飛機氣動特性研究的實驗方法與裝置。基于目前空中戰(zhàn)術(shù)對戰(zhàn)斗機高機動性的急切需求以及國內(nèi)外Herbst機動研究的空白現(xiàn)狀，有必要率先發(fā)展Herbst機動的模擬方法及其裝置，以便開展現(xiàn)代飛行器高機動性的風(fēng)洞實驗研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種模擬Herbst機動動作的方法與裝置，其目的是針對上述論述的 Herbst機動研究的空白現(xiàn)狀，結(jié)合測壓、測力以及PIV實驗技術(shù)，建立一個可以在風(fēng)洞中開展Herbst機動過程飛機氣動特性研究的實驗平臺，為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機戰(zhàn)術(shù)動作的發(fā)展提供重要的研究平臺和技術(shù)手段。本發(fā)明是一種基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst機動模擬方法及其裝置，其模擬方法主要包括裝置制作與準備，系統(tǒng)控制方法，同步測量方法；其模擬裝置主要包括 快速拉起系統(tǒng)1 (圖幻，圓錐運動(繞速度矢量滾轉(zhuǎn)運動)系統(tǒng)3 (圖幻，搖滾支桿3. 11 (圖 5)。詳細闡述如下本發(fā)明是一種基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst模擬方法，其步驟如下1、裝置制作與準備(1)快速拉起系統(tǒng)1的設(shè)計制作。伺服電機1. 1驅(qū)動拉起系統(tǒng)主軸1. 5，主軸與搖臂2相連，如圖3所示，該系統(tǒng)可完成由電機控制的快速拉起過程。(2)圓錐運動系統(tǒng)3的設(shè)計制作。伺服電機3. 7驅(qū)動圓弧導(dǎo)軌3. 10旋轉(zhuǎn)，在圓錐運動過程中，導(dǎo)線的引出通過引電滑環(huán)3. 4實現(xiàn)，如圖4所示。該系統(tǒng)可完成由電機控制的圓錐運動過程。(3)搖滾支桿3. 11的設(shè)計制作。模型與支桿主軸3. 11. 4直接相連，支桿主軸 3. 11. 4另一端通過聯(lián)軸節(jié)3. 11. 2可與外部電機3. 14及減速器3. 13相連，如圖5所示。支座3. 11. 1通過套筒3. 12與圓弧導(dǎo)軌3. 10相連。該系統(tǒng)方便了模型滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)整。(4)為使模型在整個Herbst機動過程中，其參考中心與風(fēng)洞沒有相對移動，整個系統(tǒng)在尺寸上務(wù)必滿足拉起軸線、圓錐運動軸線以及模型自身體軸相交于模型參考中心， 如圖2所示。2、系統(tǒng)控制方法(1)模型初始姿態(tài)調(diào)整。將模型固定于支桿3. 11上，改變圓弧導(dǎo)軌3. 10在圓弧支撐座3. 9中的位置，可以調(diào)節(jié)圓錐運動迎角(支桿軸線與圓錐運動軸線的夾角)，本實例預(yù)設(shè)圓錐運動迎角為70° (如圖4所示)，再通過銷釘孔將圓弧導(dǎo)軌3. 10與圓弧支撐座3. 9 固定。通過搖臂2將圓錐運動系統(tǒng)3與快速拉起系統(tǒng)1相連，控制圓錐運動伺服電機3. 7 使圓弧導(dǎo)軌平面與橫梁3. 2垂直，控制快速拉起伺服電機1. 1使模型與來流風(fēng)速平行，即模型攻角為0?？刂茡u滾支桿伺服電機3. 14使模型縱向?qū)ΨQ面與拉起運動軸線垂直。(2)Herbst機動動作模擬。Herbst機動過程為飛機快速拉起直到超過失速迎角， 繼續(xù)繞風(fēng)軸滾轉(zhuǎn)180°，然后低頭將攻角降為0°。按此過程可預(yù)設(shè)模型姿態(tài)角隨時間的變化規(guī)律，進而轉(zhuǎn)換為各驅(qū)動電機所發(fā)的脈沖數(shù)量隨時間的變化規(guī)律，將此脈沖時序指令通過板卡發(fā)送到伺服電機驅(qū)動器上，從而驅(qū)動電機按此脈沖指令運行使模型完成Herbst機動的模擬過程。Herbst機動過程的速度調(diào)節(jié)只需修改預(yù)設(shè)模型姿態(tài)角隨時間的變化規(guī)律， 轉(zhuǎn)化為脈沖時序指令發(fā)送到伺服電機驅(qū)動器即可。3、同步測量方法(1)圓錐運動過程中測量信號的導(dǎo)出。本發(fā)明將各種測量信號線通過中空圓弧導(dǎo)軌3. 10與中空圓弧支撐座3. 9連接到引電滑環(huán)3. 4(如圖4所示)上，引電滑環(huán)的輸出線通過中空橫梁3. 2連接到風(fēng)洞4外，從而避免了信號線在圓錐運動過程中與裝置纏繞的問題。( 流動測量信號之間的同步。風(fēng)洞實驗中常見的流動測量手段有天平測力、表面測壓以及PIV定量化流場測量。當同時采用多種測量手段時，往往要求各測量信號之間同步采集。以上三種測量手段的同步，首先將采集模式設(shè)定為外觸發(fā)，即由板卡接收外部信號進行觸發(fā)采集；然后只需保證各自板卡接收的外觸發(fā)信號同步即可，本發(fā)明實例該過程通過同步盒實現(xiàn)，如圖6所示。(3)運動與流動測量之間的同步。在Herbst機動過程中采集流動測量信號時，需要獲得采集時刻模型的姿態(tài)角，即保證運動與流動測量之間的同步。首先，模型的姿態(tài)角可通過伺服電機的編碼器獲得，當模型運動到所要測量流動信號的姿態(tài)角時，向流動測量設(shè)備的板卡發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，本發(fā)明連接到同步盒的輸入端，同步盒輸出端分別連接天平測力、表面測壓以及PIV定量化流場測量的板卡，如圖6所示，從而實現(xiàn)了運動與流動測量之間的同步。
本發(fā)明是一種基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst模擬裝置，其包括有快速拉起系統(tǒng)1，圓錐運動系統(tǒng)3，搖滾支桿3. 11。1、快速拉起系統(tǒng)。如圖3所示，伺服電機1. 1與減速器1. 2相連，通過齒輪副1. 3 和1. 4將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到拉起主軸1. 5，拉起主軸1. 5與搖臂2直接相連，該系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動可實現(xiàn)模型繞拉起主軸1. 5的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角度和方向不限。2、圓錐運動系統(tǒng)。如圖4所示，伺服電機3. 7通過齒輪3. 5和3. 8將旋轉(zhuǎn)運動傳遞到圓弧支撐座3. 9，圓弧導(dǎo)軌3. 10設(shè)置銷釘孔與圓弧支撐座相固定，引電滑環(huán)3. 4用來傳遞信號直接與圓弧支撐座3. 9相連。整個圓錐運動系統(tǒng)3通過橫梁3. 2及“Z”字轉(zhuǎn)接頭 3. 1與快速拉起系統(tǒng)1相連。該系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動可實現(xiàn)模型繞圓錐運動軸線的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角度和方向不限。3、搖滾支桿。包括支座3. 11. 1、聯(lián)軸節(jié)3. 11. 2、整流套筒3. 11. 3及支桿主軸 3. 11. 4，其中，支桿主軸3. 11. 4兩端分別連接模型與聯(lián)軸節(jié)3. 11. 2，聯(lián)軸節(jié)3. 11. 2另一端可連接電機控制模型搖滾運動，也可連接編碼器記錄模型自由搖滾歷程。模型支桿3. 11通過套筒3. 12與圓弧導(dǎo)軌3. 10相連。該系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動可以實現(xiàn)模型繞自身體軸的旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)角度和方向不限。4、整個系統(tǒng)在尺寸上滿足拉起軸線、圓錐運動軸線以及模型自身體軸相交于模型參考中心，如圖2所示。本發(fā)明將快速拉起與圓錐運動結(jié)合以實現(xiàn)模擬Herbst機動動作的目的，但是，本發(fā)明不僅限于對Herbst機動動作的模擬。首先，快速拉起動作與圓錐運動動作可以單獨開展，互不干涉，從而可以開展相關(guān)問題(如尾旋等)的研究。其次，本發(fā)明模型支桿3. 11 后端可以連接伺服電機3. 14控制模型滾轉(zhuǎn)運動，也可以連接編碼器記錄模型自由搖滾過程，如圖4所示，從而可以開展各種機動動作過程中，模型因氣動力而引起的繞體軸滾轉(zhuǎn)運動的研究。此外，本發(fā)明利用圓弧導(dǎo)軌3. 10與銷釘固定方式，如圖4所示，不僅可以完成快速拉起到攻角70°繼而做圓錐運動的Herbst機動動作模擬，也可以完成快速拉起到攻角 20° 80° (本發(fā)明示例2. 5°每間隔)中的任意角度繼而做圓錐運動動作。本發(fā)明中的快速拉起、圓錐運動與繞體軸搖滾運動均通過伺服電機驅(qū)動，從而可以編寫控制程序?qū)崿F(xiàn)對機構(gòu)運動過程的控制。當模擬不同運動形式的機動動作時，只需局部修改相應(yīng)參數(shù)即可，方便快捷。


圖INASA公布的“Herbst”機動過程圖2Herbst機動模擬裝置簡3快速拉起系統(tǒng)工程簡圖
圖4圓錐運動系統(tǒng)工程簡5搖滾支桿工程簡6同步測量方法示意中標號如下1快速拉起系統(tǒng) 2搖臂3圓錐運動系統(tǒng) 4風(fēng)洞11快速拉起伺服電機1.2快速拉起減速器1.3第一級齒輪副
5
1.4第二級齒輪副1.5拉起運動主軸3.1 “Z”字轉(zhuǎn)接頭
3.2橫梁3.3十字套筒3.4引電滑環(huán)
3.5錐齒輪3.6圓錐運動減速器3.7圓錐運動伺服電機
3.8錐齒輪3.9圓弧支撐座3.10圓弧導(dǎo)軌
3.11模型支桿3.12套筒3.13強迫搖滾減速器
3.14強迫搖滾伺服電機
3.11. 1支座3.11. 2聯(lián)軸節(jié)3.11. 3整流套筒
3.11. 4支桿主軸
具體實施例方式本發(fā)明是一種基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst機動模擬方法及其裝置，為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機高機動技術(shù)的發(fā)展提供風(fēng)洞實驗研究平臺和技術(shù)手段。參閱圖2至圖5所示，該發(fā)明技術(shù)方案主要包括有裝置制作與準備，系統(tǒng)控制方法，同步測量方法，具體如下UHerbst機動模擬裝置的設(shè)計該裝置設(shè)計的關(guān)鍵是快速拉起系統(tǒng)1與圓錐運動系統(tǒng)3的結(jié)合(如圖2所示)，要求拉起軸線、圓錐運動軸線以及模型自身體軸相交于模型參考中心?？焖倮疬\動與繞速度矢量的滾轉(zhuǎn)運動分別通過伺服電機11和3. 7驅(qū)動實現(xiàn)。 此外，搖滾支桿3. 11可以實現(xiàn)模型的自由搖滾運動，通過編碼器記錄位置，也可以通過伺服電機3. 14驅(qū)動實現(xiàn)模型繞自身體軸的強迫滾轉(zhuǎn)運動。2、系統(tǒng)控制方法按Herbst機動過程預(yù)設(shè)模型姿態(tài)角隨時間的變化規(guī)律，進而轉(zhuǎn)換為各驅(qū)動電機所發(fā)的脈沖數(shù)量隨時間的變化規(guī)律，將此脈沖時序指令通過板卡發(fā)送到伺服電機驅(qū)動器上，從而驅(qū)動電機按此脈沖指令運行使模型完成Herbst機動的模擬過程。3、同步測量方法當模型運動到所要測量流動信號的姿態(tài)角時，控制板卡向同步盒的輸入端發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，同步盒輸出端分別接天平測力、表面測壓以及PIV定量化流場測量的板卡，如圖6所示，從而實現(xiàn)Herbst機動過程中運動與流動的同步測量。圓錐運動過程中，各種測量信號通過引電滑環(huán)3. 4導(dǎo)出。利用本發(fā)明進行實驗研究時，可依照以下實施方式進行，參閱附圖所示1、測量信號線的引出。將測力天平或者壓力掃描閥的輸出信號線等通過中空圓弧導(dǎo)軌和中空圓弧支撐座連接到引電滑環(huán)3. 4，引電滑環(huán)的輸出線通過中空橫梁3. 2連接到風(fēng)洞4外。2、調(diào)節(jié)模型初始姿態(tài)。將模型固定于支桿3. 11上，改變圓弧導(dǎo)軌3. 10在圓弧支撐座3. 9中的位置，可以調(diào)節(jié)圓錐運動迎角(支桿軸線與圓錐運動軸線的夾角)，本實例預(yù)設(shè)圓錐運動迎角為70° (如圖4所示)，再通過銷釘孔將圓弧導(dǎo)軌3. 10與圓弧支撐座3. 9 固定?？刂茍A錐運動伺服電機3. 7使圓弧導(dǎo)軌平面與橫梁3. 2垂直，控制快速拉起伺服電機1. 1使模型與來流風(fēng)速平行，即模型攻角為0，控制搖滾支桿伺服電機3. 14使模型縱向?qū)ΨQ面與拉起運動軸線垂直。3、Herbst機動模擬及實驗過程。按預(yù)設(shè)時間歷程編寫程序控制快速拉起伺服電機與圓錐運動伺服電機，可完成模型快速拉起直到超過失速迎角，繼續(xù)繞風(fēng)軸做圓錐運動的過程。整個機動過程中，可當模型運動到任何姿態(tài)角時，控制板卡向同步盒發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，同步觸發(fā)各種測量設(shè)備采集，也可直接動態(tài)連續(xù)采集，從而實現(xiàn)在風(fēng)洞中模擬Herbst 機動過程并進行實驗研究的目標。
權(quán)利要求
1.基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst機動模擬方法及其裝置，其主要特征在于該裝置包括快速拉起運動系統(tǒng)、圓錐運動系統(tǒng)、搖滾系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，快速拉起運動系統(tǒng)、圓錐運動系統(tǒng)以及強迫搖滾系統(tǒng)均由伺服電機驅(qū)動，其中快速拉起運動與圓錐運動結(jié)合實現(xiàn)對Herbst機動的模擬，搖滾系統(tǒng)可用于模型滾轉(zhuǎn)姿態(tài)的調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述方法，通過分別控制快速拉起運動系統(tǒng)、圓錐運動系統(tǒng)以及強迫搖滾支桿的伺服驅(qū)動電機，實現(xiàn)快速拉起、圓錐以及繞自身體軸搖滾三種運動自由組合的任何復(fù)雜運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，拉起運動軸線、圓錐運動軸線以及體軸相交于模型參考中心。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，通過圓弧導(dǎo)軌與圓弧支撐座相對轉(zhuǎn)動的方式改變圓錐運動角度，并通過布置銷釘孔方式固定圓錐運動角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，圓錐運動過程中，各種設(shè)備信號線，如編碼器信號、天平信號、測壓信號、強迫搖滾電機電源以及用于研究旋成體非對稱渦的頭部控制電機電源等均通過引電滑環(huán)傳導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述方法，針對三個伺服電機編寫控制程序，預(yù)設(shè)模型姿態(tài)角隨時間的變化規(guī)律，轉(zhuǎn)換為各驅(qū)動電機所發(fā)的脈沖數(shù)量隨時間的變化規(guī)律，將此脈沖時序指令通過板卡發(fā)送到伺服電機驅(qū)動器上，從而驅(qū)動電機按此脈沖指令運行使模型完成Herbst 機動的模擬過程。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，通過伺服電機的編碼器獲得模型姿態(tài)角，當模型運動到所要測量的姿態(tài)角時，經(jīng)過同步盒向流動測量設(shè)備發(fā)出脈沖觸發(fā)信號，同步盒輸出端可分別連接天平測力、表面測壓以及PIV定量化流場測量設(shè)備，從而實現(xiàn)運動與流動測量之間的同步。
全文摘要
本發(fā)明為基于風(fēng)洞虛擬飛行的戰(zhàn)斗機Herbst機動模擬方法及其裝置，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域。其目的是建立一個在風(fēng)洞中開展Herbst機動過程中氣動特性研究的實驗平臺，為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機高機動技術(shù)的發(fā)展提供重要研究手段。該發(fā)明技術(shù)方案主要包括快速拉起系統(tǒng)、圓錐運動系統(tǒng)以及搖滾支桿，通過控制各系統(tǒng)伺服電機將快速拉起運動與圓錐運動結(jié)合以實現(xiàn)對Herbst機動動作的模擬。此外，本發(fā)明不僅局限于對Herbst機動的模擬，快速拉起運動、圓錐運動以及繞自身體軸滾轉(zhuǎn)運動可以完全自由組合，實現(xiàn)不同的運動過程僅需修改控制程序中相關(guān)參數(shù)。
文檔編號G01M9/06GK102313640SQ20111020782
公開日2012年1月11日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者李巖, 武廣興, 王延奎, 田偉, 鄧學(xué)鎣, 馬寶峰 申請人:北京航空航天大學(xué)