基于氣浮軸承的非軸對稱彈頭風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于試驗空氣動力學(xué)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種一種基于氣浮軸 承技術(shù)的非軸對稱彈頭風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于氣浮軸承的風(fēng)洞試驗技術(shù)是測量彈頭小滾轉(zhuǎn)氣動力的重要手段。如圖5所示， 該項試驗技術(shù)利用氣浮軸承自身旋轉(zhuǎn)的機械阻尼很小的特點，使模型在風(fēng)洞不吹風(fēng)的條件 下做幾乎無阻尼的自由旋轉(zhuǎn)運動。因此，即使風(fēng)洞試驗中吹風(fēng)產(chǎn)生的很小的滾轉(zhuǎn)氣動力作 用在模型上，也將引起模型轉(zhuǎn)速的變化。試驗中通過光學(xué)傳感器能夠測出模型轉(zhuǎn)速隨時間 的變化，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)和滾轉(zhuǎn)阻尼力矩系數(shù)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，基于氣浮軸承技術(shù)的彈頭風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)處理方法均針對傳統(tǒng)的慣性 彈頭，該彈頭外形一般為軸對稱，在飛行的過程中滾轉(zhuǎn)靜力矩不發(fā)生變化，可將其視為常 數(shù)。因此模型在風(fēng)洞中受滾轉(zhuǎn)靜力矩和滾轉(zhuǎn)阻尼力矩共同作用下的滾轉(zhuǎn)運動方程為：
[0005] 其中，P為模型轉(zhuǎn)速；I為模型滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量;D為模型底部直徑;V為來流速度;q為 來流動壓；s為模型底部面積;Clp為滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù);C 1Q為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)。根據(jù)這樣一個滾 轉(zhuǎn)運動方程，試驗所測得的模型轉(zhuǎn)速變化曲線經(jīng)過傳統(tǒng)的參數(shù)擬合數(shù)據(jù)處理方法處理后， 所得到滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)C 1Q為一常數(shù)，即彈頭飛行中的平均量。
[0006] 然而，機動式彈頭出于對高機動能力的要求，通常采用增加配平翼等方法改善其 機動性能，基本外形為非軸對稱，同時彈頭再入過程中的熱燒蝕等作用也會帶來外形的不 對稱。非軸對稱外形的彈頭在飛行過程中滾轉(zhuǎn)靜力矩隨著滾轉(zhuǎn)角的變化而周期性變化，不 再為常數(shù)。因此，傳統(tǒng)軸對稱外形彈頭的試驗數(shù)據(jù)處理方法已不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明基于氣浮軸承風(fēng)洞試驗技術(shù)，克服現(xiàn)有傳統(tǒng)軸對稱彈 頭風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)處理方法的不足，針對非軸對稱彈頭提供一種新的試驗數(shù)據(jù)處理和分析方 法。該方法不僅能夠獲得試驗?zāi)Ｐ驮跐L轉(zhuǎn)運動中滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值;還能獲得滾轉(zhuǎn) 靜力矩系數(shù)隨滾轉(zhuǎn)角動態(tài)周期性變化的規(guī)律；同時在數(shù)據(jù)處理過程中能得到理論仿真結(jié) 果，與試驗結(jié)果形成相互驗證。
[0008] 為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于氣浮軸承的非軸對稱彈頭風(fēng)洞試驗數(shù) 據(jù)處理方法，所述風(fēng)洞試驗中每一種風(fēng)速和非軸對稱彈頭模型的俯仰角的組合為一個試驗 狀態(tài)，所述模型在不同的試驗狀態(tài)下進行自由滾轉(zhuǎn)運動，包括以下步驟：
[0009] 在確定一個試驗狀態(tài)下的滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)與滾轉(zhuǎn)角變化量之間的關(guān)系時，包括：
[0010] 仿真步驟:預(yù)設(shè)一個滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值，對模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程進 行仿真模擬，得到所述模型的轉(zhuǎn)速隨時間t變化的仿真曲線；
[0011] 匹配步驟:將所述模型的轉(zhuǎn)速隨時間t變化的仿真曲線與所述模型的轉(zhuǎn)速隨時間t 變化的試驗曲線進行比較，確定所述仿真曲線與所述試驗曲線最為匹配時的滾轉(zhuǎn)靜力矩系 數(shù)的變化幅值，作為實際滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值;以及
[0012] 計算步驟:根據(jù)所述實際滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值得到所述滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)， 由此確定了當(dāng)前試驗狀態(tài)下滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)與滾轉(zhuǎn)角變化量之間的關(guān)系。
[0013] 優(yōu)選的是，其中，還包括以下步驟：
[0014] 步驟一、選擇一個試驗狀態(tài)，對所述試驗狀態(tài)進行工程估算，得到所述模型的以滾 轉(zhuǎn)角變化來求解滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的方程，其中，該方程中包括求解所述滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)所 需的未知量:滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值；
[0015] 步驟二、將所述模型的以滾轉(zhuǎn)角變化來求解滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的方程代入滾轉(zhuǎn)運動 控制方程中，獲得所述模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程；
[0016] 步驟三、通過與所述模型連接的光學(xué)傳感器測量所述模型在不同時刻的轉(zhuǎn)速，得 到所述模型的轉(zhuǎn)速與時間t變化的試驗曲線和所述模型的轉(zhuǎn)速與時間t變化的試驗方程;根 據(jù)所述模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程和所述模型的轉(zhuǎn)速與時間t變化的試驗方程，先計算出所 述模型的滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值及所述模型的滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)；
[0017]步驟四、執(zhí)行所述仿真步驟；
[0018] 步驟五、執(zhí)行所述匹配步驟，其中所述實際滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值作為所述 未知量的解；以及該試驗狀態(tài)下
[0019] 步驟六、根據(jù)所述未知量的解得到所述滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)，由此確定了當(dāng)前試驗狀 態(tài)下滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)與滾轉(zhuǎn)角變化量之間的關(guān)系；
[0020] 最后，依次選取多個試驗狀態(tài)，重復(fù)上述步驟，直到獲得多個試驗狀態(tài)下滾轉(zhuǎn)靜力 矩系數(shù)與滾轉(zhuǎn)角變化量之間的關(guān)系。
[0021] 優(yōu)選的是，其中，采用改進歐拉法對模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程進行仿真模擬，得到 所述模型的轉(zhuǎn)速隨時間t變化的仿真曲線，具體為：
[0022] S1、預(yù)設(shè)所述模型tn時刻的轉(zhuǎn)速，采用改進歐拉法估算所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速， 得到所述模型t n+i時刻的轉(zhuǎn)速估算值；
[0023] S2、對所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速估算值進行修正，得到所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速；
[0024] S3、求解不同時刻所述模型的轉(zhuǎn)速，得到所述模型的轉(zhuǎn)速隨時間t變化的仿真曲 線；
[0025]其中，η為大于或等于1的自然數(shù)。
[0026]優(yōu)選的是，其中，所述S1中，所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速估算值為：
[0028] 其中，所述P' η+ι為所述模型tn+i時刻的轉(zhuǎn)速估算值，所述Pn為所述模型t n時刻的轉(zhuǎn) 速，&為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值，A為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值，Φη為模型在^時刻 的滾轉(zhuǎn)角，Ρ為模型轉(zhuǎn)速，I為模型滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量，D為模型底部直徑，V為來流速度，q為來流 動壓，s為模型底部面積，Clp為滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)。
[0029] 優(yōu)選的是，其中，所述S2中，所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速為：
[0031] 其中，所述Pn+1為所述模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速，所述Pn為所述模型t n時刻的轉(zhuǎn)速，g 為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值，A為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值，Φη為模型在^時刻的滾轉(zhuǎn) 角，巾\+1為模型在tn+1時刻的滾轉(zhuǎn)角估算值，Ρ為模型轉(zhuǎn)速，I為模型滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量，D為模型 底部直徑，V為來流速度，q為來流動壓，s為模型底部面積，C lp為滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，K n+1為所述 模型tn+1時刻的轉(zhuǎn)速估算值。
[0032] 優(yōu)選的是，其中，確定所述仿真曲線與所述試驗曲線最為匹配時的滾轉(zhuǎn)靜力矩系 數(shù)的變化幅值，具體為：
[0033] 若所述仿真曲線與所述試驗曲線最為匹配，則所述預(yù)設(shè)的滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化 幅值即為實際滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化幅值；
[0034] 若所述仿真曲線與所述試驗曲線不匹配，則重新預(yù)設(shè)一個滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的變化 幅值，對所述模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程進行仿真模擬，以使得所述仿真曲線與所述試驗曲 線最為匹配。
[0035] 優(yōu)選的是，其中，判斷所述仿真曲線與所述試驗曲線最為匹配的判據(jù)為歐幾里德 距離最小或泰勒不等式系數(shù)，且所述泰勒不等式系數(shù)的取值范圍為0~1。
[0036] 優(yōu)選的是，其中，所述步驟二中，所述滾轉(zhuǎn)運動控制方程為：
[0038] 其中，P為模型轉(zhuǎn)速，I為模型滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量，D為模型底部直徑，V為來流速度，q為 來流動壓，s為模型底部面積，Clp為滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，&〇為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)。
[0039] 優(yōu)選的是，其中，所述模型的滾轉(zhuǎn)運動控制方程為：
[0041]其中，Cio為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)，C/()為滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值，A為滾轉(zhuǎn)靜力矩系 數(shù)的變化幅值，Φ為模型的滾轉(zhuǎn)角，P為模型轉(zhuǎn)速，I為模型滾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量，D為模型底部直 徑，V為來流速度，q為來流動壓，s為模型底部面積，Clp為滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)。
[0042]優(yōu)選的是，其中，所述步驟三中，采用最小二乘法計算所述模型的滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù) 的平均值及所述模型的滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，具體為：
[0043]將所述模型的轉(zhuǎn)速與時間t變化的試驗曲線分割為多段，對每段試驗曲線對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速與時間t變化的試驗方程進行微分，得到多個數(shù)值；
[0044]將所述多個數(shù)值依次代入到所述滾轉(zhuǎn)運動控制方程中，利用最小二乘法計算對代 入后的滾轉(zhuǎn)運動控制方程進行最小二次擬合，得到模型的滾轉(zhuǎn)靜力矩系數(shù)的平均值及模型 的滾轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)。
[0045]本發(fā)明的有益效果在于：
[0046] 1、本發(fā)明考慮了非軸對稱外形彈頭飛行時滾轉(zhuǎn)靜力矩隨