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风洞虚拟飞行试验相似准则和模拟方法研究

作　者: 李浩
导　师: 范召林
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 机动性敏捷性气动/运动非线性耦合风洞虚拟飞行试验相似准则模拟方法纵向虚拟飞行数值模拟验证试验
分类号: V217
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

高机动性和高敏捷性是现代先进战斗机和战术导弹的关键特征之一。飞行器在大迎角高机动飞行时，存在强烈的气动/运动非线性耦合现象。目前基于线性叠加原理的风洞试验技术，无法有效揭示这种耦合特性和机理，需要发展新的试验技术——风洞虚拟飞行试验，实现对机动运动较为逼真的模拟，达到研究气动/运动非线性耦合特性和机理、检验和评估飞行控制律，探索解耦控制措施的目的。发展风洞虚拟飞行试验技术，其相似准则和模拟方法是首先需要解决的理论问题。本文通过理论分析和建模仿真的方法，推导分析了风洞虚拟试验的相似准则和模拟方法；利用建模仿真对相似准则进行了初步验证；利用数值模拟和风洞试验对模拟方法进行了初步验证。全文共六章，各章主要内容概述如下：第一章简述了开展本文研究工作的背景；对风洞虚拟飞行试验、风洞试验相似准则的研究现状和进展情况进行了综述；简要地介绍了本文完成的主要工作。第二章通过对先进飞行器部分典型机动运动特性和动力学特性的分析，提出了先进战斗机和近距格斗空空导弹的机动运动对风洞虚拟飞行试验的模拟要求，包括需要模拟的机动动作和模拟的参数范围。第三章基于流体力学基本方程和刚体飞行器六自由度运动方程，以及它们的初、边值条件，并结合风洞虚拟飞行试验的具体情况，分析推导了风洞虚拟飞行试验的相似准则，以及试验和真实飞行各物理参数之间的相似关系。第四章开展了导弹模型开环控制和闭环控制飞行仿真模拟，分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的差异及其影响，初步提出了风洞虚拟飞行试验的模拟方法，即风洞虚拟飞行试验采用闭环控制方式能够实现较为逼真的模拟真实飞行过程；最后利用飞行仿真对风洞虚拟飞行试验的相似准则进行了初步验证。第五章针对某导弹模型的单自由度俯仰运动，开展了舵偏控制下的纵向虚拟飞行数值模拟和风洞虚拟飞行验证试验，初步验证了风洞虚拟飞行试验的模拟方法。结果表明，采用开环控制方式，风洞虚拟飞行试验只能在给定舵偏规律下模拟自由振荡运动过程，必须采用闭环控制方式，而且飞行控制律必须与真实飞行相似，才能实现对真实机动飞行过程较为逼真的模拟。第六章对全文的工作进行了回顾和总结，并针对目前研究工作中的不足，提出了今后的研究方向。最后是本文的致谢和参考文献。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
符号说明  8-13
第一章引言  13-25
  1.1 研究背景  13-15
  1.2 国内外研究现状与发展趋势  15-18
    1.2.1 高机动飞行过程中的非线性动态现象  15-16
    1.2.2 风洞虚拟飞行试验研究现状与进展  16-17
    1.2.3 风洞试验相似准则研究现状与进展  17-18
  1.3 本文的工作  18-20
  附图  20-25
第二章风洞虚拟飞行试验模拟要求分析  25-46
  2.1 前言  25
  2.2 先进战斗机典型机动运动运动特性分析  25-31
    2.2.1 部分典型机动运动情况  25-28
    2.2.2 过失速机动特性统计分析  28-29
    2.2.3 过失速机动的动力学特性分析  29-31
  2.3 先进导弹典型机动运动运动特性分析  31-33
  2.4 风洞虚拟飞行试验的模拟要求  33-35
  2.5 本章小结  35-36
  附图  36-46
第三章风洞虚拟飞行试验相似准则分析  46-75
  3.1 前言  46
  3.2 流动和运动的控制方程  46-57
    3.2.1 流体力学基本方程  46-48
    3.2.2 飞行器六自由度运动方程  48-55
    3.2.3 风洞虚拟飞行试验的流动和运动控制方程  55-57
  3.3 流动和运动相似准则推导  57-66
    3.3.1 流动相似准则  57-61
    3.3.2 运动相似准则  61-66
  3.4 相似参数物理意义分析  66-68
  3.5 风洞虚拟飞行试验相似准则分析  68-73
    3.5.1 风洞虚拟飞行试验相似准则  68-69
    3.5.2 单自由度转动运动的相似准则  69-70
    3.5.3 两自由度转动运动的相似准则  70-72
    3.5.4 三自由度转动运动的相似准则  72-73
  3.6 风洞虚拟飞行试验与真实飞行物理参数关系  73-74
  3.7 本章小结  74-75
第四章风洞虚拟飞行试验模拟方法分析  75-101
  4.1 前言  75
  4.2 风洞虚拟飞行试验和真实飞行的差异  75-76
  4.3 风洞虚拟飞行试验和真实飞行的差异影响分析  76-80
    4.3.1 导弹纵向动力学模型  76-77
    4.3.2 导弹气动力数学模型  77-79
    4.3.3 开环控制飞行仿真  79-80
  4.4 风洞虚拟飞行试验模拟方法分析  80-90
    4.4.1 导弹飞行控制系统基本组成  80-81
    4.4.2 导弹自动驾驶仪设计  81-87
    4.4.3 导弹风洞虚拟飞行试验模拟方法分析  87-90
  4.5 风洞虚拟飞行试验相似准则初步验证  90-91
    4.5.1 物理参数之间的比例关系  90-91
    4.5.2 相似准则的初步验证  91
  4.6 本章小结  91-92
  附图  92-101
第五章风洞虚拟飞行试验模拟方法初步验证  101-125
  5.1 前言  101-102
  5.2 纵向虚拟飞行数值模拟验证  102-109
    5.2.1 数值计算方法  102-103
    5.2.2 网格变形技术  103-105
    5.2.3 计算模型和网格  105
    5.2.4 定常计算结果与分析  105-107
    5.2.5 舵面动态偏转俯仰运动计算结果与分析  107-109
  5.3 风洞虚拟飞行试验验证  109-112
    5.3.1 试验平台  109
    5.3.2 试验模型  109
    5.3.3 试验流程  109-110
    5.3.4 试验结果与分析  110-112
  5.4 开环控制方式对风洞虚拟飞行试验的影响分析  112
  5.5 本章小结  112-113
  附图  113-125
第六章结束语  125-127
致谢  127-128
作者简历  128-129
参考文献  129-134

风洞虚拟飞行试验相似准则和模拟方法研究

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