第2卷第1期2011年2月航空工程进展A DV A N CES IN A ERON A U T ICA L SCIEN CE A N D EN GIN EERIN G Vo l 2N o 1Feb 2011收稿日期:2010 09 14; 修回日期:2010 12 11通信作者:张炜,w eizhangxian@nw 文章编号:1674 8190(2011)01 043 05缩比模型遥控飞行验证技术的研究及展望张炜,郭庆,张怡哲(西北工业大学航空学院,西安 710072)摘 要:缩比模型遥控飞行验证是飞行试验技术的重要组成部分,本文研究了国内外相关技术发展状况和未来需求,初步分析了需要解决的关键技术,简要介绍了自身团队相关工作进展,并对于该项技术与多学科发展的关系进行了概括。
研究表明:缩比模型遥控飞行验证技术是未来飞行器设计研发中的一项重要技术验证途径,在新概念飞机布局设计及飞机新技术应用等方面具有指导作用。
关键词:缩比飞机模型;遥控飞行验证;相似准则;多学科应用中图分类号:V 217+.1 文献标识码:AStudy and Evolvement on Flight Test Technique of RemotelyPiloted Subscale ModelZhang Wei,Guo Qing,Zhang Yizhe(Scho ol o f A eronautics,N or thwestern Po ly technical U niversity,Xi an 710072,China)Abstract:Subscale mo del flig ht test technique is an import ant par t o f flig ht test t echnolog y,guiding many as pects of research and dev elo pment fo r mo der n air cr aft design as effectively technique approaches,such as new concept air craft layo ut ,contro l system application,pro pulsio n mechanism,and so o n.In this paper the key po ints o f flight test system ut ilized in dy namically sca led vehicles that enable the a pplicat ion o f subscale flight test results to full scale vehicles are described,and then,the g roup research w orks in the Inno vation Centr e of A eronautical Science &T echno lo gy of N WP U are intr oduced.T he conclusion indicates that the Remotely Sub scale M odel Flig ht T est is an adv anced technique w hich suppor ts the go als o f efficient,low co st and safety fo r experimental flight r esear ch.Key words:subscale model;remotely piloted flight research;co mpar ability law;multi discipline application0 引言飞行试验对航空技术和航空武器装备的发展有着举足轻重的影响,任何一项新技术、新设备都要经过试飞验证才能投入使用。
从世界上第一架飞机诞生开始,飞行试验的探索性研究就牵引着飞机设计技术不断创新和进步,同时,各种先进科学技术的发展,也使飞行试验技术研究内容和方法得到不断的丰富和拓展。
对于一种新的飞机设计方案,往往要花费大量时间通过风洞试验和CFD 计算来确定飞机布局,这些工作都是在理论假设和非全面模拟条件下进行的,其结果要通过试飞来验证,因此飞行试验的目的就是验证理论和地面试验的结果,并指导方案改进。
从广义上来讲飞行试验的研究范围包括: 用于探索全新飞行领域的研究性试飞,验证新技术、新设备; 为新型号飞机的发展提供全面技术验证的验证性试飞; 用于发展及鉴定新型飞机的型号试飞等[1]。
传统的飞行试验主要是指有人驾驶飞机的飞行试验或模型自由飞试验,这些试验成本高、风险大。
因此在飞机研发周期的经济性约束下,需要从理论和实践两方面发展低成本飞行试验技术[2]。
作为风洞试验和CFD 计算的补充技术手段,采用缩比模型(Subscale M odel)进行飞机某些性能或飞行品质的验证性研究,已经在飞行试验技术领域得到应用[3]。
随着控制、材料、通信等应用技术的发展,满足科研要求的小型化飞行数据采集设备、小型动力系统、轻型结构、可靠的数据链及微小型飞行控制系统等货架商品的大量使用,可以使缩比模型成为一种满足低成本和短周期新飞机研发要求的有效技术途径。
1 国外研究状况虽然在验证可信度方面,缩比飞行验证不能全面代替传统的飞行试验,但对于某些技术的验证具有其独特的优势[4]。
根据气动理论分析,缩比模型在大迎角、起飞着陆性能等方面与实际尺寸飞机具有相关性。
除了可飞、可控和定性验证外,也可进行相关飞行品质的定量分析以及控制系统、任务载荷、结构设计等方面验证。
研究表明缩比验证飞行对于较小升阻比飞行器的验证有效性较高[5]。
近年来该项技术在新型技术应用、新概念飞机设计、飞行安全性验证、飞行试验方法改进等研究中逐渐受到重视和应用。
美国NASA 兰利研究中心(NA SA Lang ley Research Center,LaRC)使用缩比模型飞机进行飞行研究已经有很长的历史[6],近年来由于飞行试验经费的减少,迫使他们建立一种低成本,风险可接受的缩比模型飞行试验研究体系和方法,从系统集成成本考虑,归纳起来有两种类型。
一种是低成本、小规模的飞行验证系统,例如飞行技术研究系统(Fr ee fly ing A ircraft for Sub scale Ex perim en tal Research,FASER)[7],如图1所示。
图1 FA SER 遥控模型系统F ig.1 FA SER remot e co nt rol model system该系统采用常规布局的货架产品飞机改装,使用价格低廉但可用性较高的数据采集设备,小规模飞行试验小组完成有关飞行试验方法的研究,在MAT LAB 和SIM U LINK 环境下通过飞机六自由度仿真技术进行控制律设计。
系统测试通道包括操纵面偏角、迎角/侧滑角、速度和发动机转速计、惯性加速度测量装置(IM U )、GPS 位置/速度测量、惯性导航系统(IN S)、四元数姿态传感等。
飞机响应数据处理采用一致性检验技术,分析表明经过修正的飞行试验参数在估计系统和设备误差方面具有精确性和一致性。
在降低无线电频率冲突水平条件下,FASER 系统可以开展先进的动力学建模和飞行试验技术研究。
第二种类型是配备移动式地面控制站的遥控模型飞行试验研究系统,这是一种缩比模型遥控飞行验证平台,也称遥控模型研究机(Rem otely Pilo ted Research V ehicle,RPRV )系统。
该系统综合了有人驾驶试飞、模拟器飞行等模式,构建由飞行员 地面模拟座舱 上行下行数据传输系统 带动力的遥控缩比模型等元素组成的闭环系统,相比于模型自由飞试验费用小、可重复性强、周期短、风险可接受。
NASA 建立了一个缩比运输机飞行试验研究平台(A ir ST AR),用于大型民用和通用飞机在控制系统失效和超出飞行包线边界条件下的飞行安全性研究。
飞行员采用常规遥控器和直接视觉的安全模式控制飞机起降,科研飞行由移动地面站的飞行员在模拟座舱环境中通过第一视角进行控制[8],概念框架如图2所示。
图2 A irST AR 系统概念图Fig.2 Concept of AirST A R sy stem试验用模型飞机有S2和T2两个型号,S2为单发涡喷驱动,T 2为双发涡喷驱动,均按5.5%缩比尺寸设计和制作,如图3所示。
图3 S2和T 2模型飞机Fig.3 S2and T 2model air craft44航空工程进展 第2卷模型参数按几何和重量(翼载)进行相似性设计。
机上配置设备包括微型惯性导航系统,输出三轴线性加速度、角速度、姿态估计和GPS 速度/坐标等参数。
还有类似的微型惯性测量设备,可以测量多余度和低延迟的三轴线性加速度和角速度。
空速管安装在翼尖,用于测量攻角、侧滑角、动压和静压,通过静压和环境温度测量计算空气密度及飞行高度;动压用于计算校准空速,通过动力控制单元可以得到发动机转速。
在所有控制面旋转轴上安装电位计进行舵偏角测量,所有座舱输入参数(驾驶杆、蹬舵、油门等)均可以进行记录。
飞行和模拟软件的开发在M ATLAB/SIM U LINK 环境下进行。
地面控制站可进行数据实时发送和事后处理,支持H ITL 格式仿真来模拟座舱外部的主要环境要素,空中地面间的数据传输和通信使用遥感系统实现[9]。
模拟全尺寸飞机在控制混乱或恶劣飞行条件下的飞行特性是AirSTAR 的基本研究目标,以消除有人驾驶飞行试验的风险。
在模型设计过程中充分考虑缩比实验的相似律要求,也就是常说的 动力学相似 ,包括几何、质量、时间及空气动力学等相似参数,实验结果显示该系统有效性适用于飞行速度Ma <0.45的低速飞行实验。
2007年7月,波音公司研制的X-48B 缩比验证机利用RPRV 平台在N ASA 德莱顿飞行研究中心成功地实现了首次飞行,标志着创新的翼身融合体(BWB)概念已经步入到试飞验证的研究阶段。
模型机为2架8.5%缩比验证机,采用的微型涡喷发动机,单台推力0.22kN,如图4所示。
图4 X 48B 缩比验证机Fig.4 X 48B subscale test aircr aft该机的最大飞行速度达到218km /h,飞行高度3000m 以上,续航60min,航程218km 。
X 48B 的缩比模型飞行试验的第一个阶段主要是掌握BWB 的低速飞行控制特性。
主要内容有:多舵面非线性耦合控制、低风险参数鉴定、包线内飞行、包线边界飞行、高风险大迎角飞行和接近失速飞行、飞行品质评估等。