飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法及測量發(fā)煙裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供基于無人機的飛機戶外真實環(huán)境下的起飛著陸過程流場動態(tài)特性測量方法和一種測量用的低成本快速發(fā)煙裝置，采用動態(tài)相似的無人機代替有人駕駛的試驗機進行飛行試驗，降低了測試成本與風(fēng)險，適用于新式布局飛機在設(shè)計研發(fā)階段的測試比對；相比于風(fēng)洞靜態(tài)模擬試驗，本發(fā)明將待測飛機及測量裝置放置于室外真實飛行環(huán)境中，是一種動態(tài)測量方法，測試環(huán)境更真實，所得的實驗數(shù)據(jù)參考價值高；本發(fā)明將煙風(fēng)洞的流場可視化特點與飛行試驗的環(huán)境真實性相結(jié)合，為大型運輸機起降階段的適航符合性驗證提供了一種新思路。
【專利說明】
飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法及測量發(fā)煙裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及飛機近地流場特性測量領(lǐng)域，具體為一種飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法及測量發(fā)煙裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，風(fēng)洞試驗是最常用的空氣動力學(xué)實驗方法，因其能較準確地控制實驗條件、實驗項目和內(nèi)容多樣、結(jié)果精確度較高等優(yōu)點在飛行器研制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。比如在新式布局飛機研制初期，通常需要利用模型機經(jīng)過大量靜態(tài)風(fēng)洞試驗來模擬流場，預(yù)測其飛行性能。然而在測試飛機起飛與著陸性能時，其缺點卻是不可忽視的。第一，近地流場因受地面效應(yīng)的影響，表現(xiàn)出與高空流場不同的流場特性，風(fēng)洞所使用的靜態(tài)模型難以準確模擬；第二，風(fēng)洞中的氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界附近的流線彎曲，使風(fēng)洞流場有別于真實飛行的流場;第三，風(fēng)洞實驗中需要用支架把模型支撐在氣流中，而支架的存在會產(chǎn)生對模型流場的干擾。雖然支架效應(yīng)和洞壁干擾所造成的誤差可通過后期數(shù)據(jù)處理加以修正，卻使整個試驗方法更加復(fù)雜，不易操作；加之風(fēng)洞本身造價較高，一般的空氣動力學(xué)實驗室很難得到所需的資金支持。
[0003]采用與目標飛機幾何相似、氣動相似及動力相似的縮比模型飛機在空中進行飛行試驗，可以獲取目標飛機的飛行性能以及飛機的氣動參數(shù)。這種試驗方法與風(fēng)洞試驗相比，可以減少新式布局飛機試飛的風(fēng)險，降低研究成本。《縮比模型遙控飛行驗證技術(shù)的研究及展望》(航空工程進展，2011年2月，第2卷第I期，43至47頁)中指出，雖然在驗證可信度方面，縮比飛行驗證不能全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)的飛行試驗，但對于某些技術(shù)的驗證具有其獨特的優(yōu)勢。根據(jù)氣動理論分析，縮比模型在起飛著陸性能方面與實際尺寸飛機具有相關(guān)性。《縮比模型飛機及其飛控系統(tǒng)與原型機的相似關(guān)系》(飛行力學(xué)，2003年6月，第21卷第2期，34至37頁)采用量綱理論，導(dǎo)出了原型飛機與縮比模型飛機各物理量的相似比例關(guān)系，進而可以根據(jù)原型飛機的數(shù)學(xué)模型得到對應(yīng)縮比模型飛機的數(shù)學(xué)模型，為縮比模型飛機預(yù)測全尺寸飛機的飛行性能與品質(zhì)提供了理論依據(jù)。
[0004]此外，流動顯示技術(shù)作為一種發(fā)展較成熟的流體力學(xué)實驗手段，可直接用于風(fēng)洞流場校測和各類空氣動力實驗，為空氣動力計算提供可靠的流動模型，還能發(fā)現(xiàn)一些新的流動現(xiàn)象，具有簡單直觀的優(yōu)點，適用于研究包括地面效應(yīng)在內(nèi)的飛機近地流場等復(fù)雜流場的動態(tài)特性。
[0005]從國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻資料中，還未發(fā)現(xiàn)將流動顯示技術(shù)應(yīng)用于縮比模型飛行驗證的相關(guān)測量裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有的風(fēng)洞試驗在飛機近地流場動態(tài)特性測量方面的不足，本發(fā)明提供基于無人機的飛機戶外真實環(huán)境下的起飛著陸過程流場動態(tài)特性測量方法和一種測量用的低成本快速發(fā)煙裝置，運用縮比模型無人機飛行試驗來預(yù)測全尺寸飛機的飛行性能和飛行品質(zhì)，室外測試還原測試環(huán)境的真實性，獲得更可靠的測試數(shù)據(jù)，降低新式布局飛機研制階段的測試成本，可作為風(fēng)洞試驗和CFD計算的補充技術(shù)手段。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008]所述一種飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0009]步驟1:依據(jù)待測試的飛機，采用相似原理，制作待測試的飛機的縮比模型試驗機；
[0010]步驟2:依據(jù)縮比模型試驗機的展長尺寸，在縮比模型試驗機戶外測試區(qū)域的起飛著陸跑道兩側(cè)均勻布置若干發(fā)煙裝置；
[0011]步驟3:啟動發(fā)煙裝置，使煙均勻散布于測試環(huán)境中；操縱縮比模型試驗機在測試區(qū)域起飛或著陸，同時利用布置在跑道一側(cè)和/或跑道正前方的攝像機，記錄煙霧隨流場運動圖像;同時記錄測試時的風(fēng)速和風(fēng)向；
[0012]步驟4:采用OpenCV圖像追蹤軟件對攝像機記錄的圖像進行處理，得到清晰的流場圖；利用得到的流場圖以及所記錄的測試時的風(fēng)速，分析得到流場動態(tài)參數(shù)。
[0013]—種用于上述測量方法的測量用發(fā)煙裝置，其特征在于:由斜板底座、軸流風(fēng)機、置物籃、航模拉煙器和遙控點火器組成;軸流風(fēng)機固定安裝在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向傾斜10°?15° ;若干置物籃均勻布置固定在軸流風(fēng)機外側(cè)，且置物籃朝向軸流風(fēng)機軸向傾斜10°?15°;航模拉煙器放置在置物籃內(nèi)，遙控點火器受外部控制系統(tǒng)操控，用于點燃航模拉煙器。
[0014]有益效果
[0015]本發(fā)明提出的飛機起降階段流場動態(tài)特性測量方法及測量用發(fā)煙裝置，采用動態(tài)相似的無人機代替有人駕駛的試驗機進行飛行試驗，降低了測試成本與風(fēng)險，適用于新式布局飛機在設(shè)計研發(fā)階段的測試比對;相比于風(fēng)洞靜態(tài)模擬試驗，本發(fā)明將待測飛機及測量裝置放置于室外真實飛行環(huán)境中，是一種動態(tài)測量方法，測試環(huán)境更真實，所得的實驗數(shù)據(jù)參考價值高;本發(fā)明將煙風(fēng)洞的流場可視化特點與飛行試驗的環(huán)境真實性相結(jié)合，為大型運輸機起降階段的適航符合性驗證提供了一種新思路。
[0016]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0017]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0018]圖1:本發(fā)明的原理不意圖；
[0019]圖2:發(fā)煙裝置示意圖；
[0020]其中:1、軸流風(fēng)機;2、置物籃;3、鐵絲;4、斜板底座;5、航模拉煙器。
【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0023]本實施例主要針對現(xiàn)有的風(fēng)洞試驗在飛機近地流場動態(tài)特性測量方面的不足，提供了一種基于無人機的飛機戶外真實環(huán)境下的起飛著陸過程流場動態(tài)特性測量方法和一種測量用的低成本快速發(fā)煙裝置，運用縮比模型無人機飛行試驗來預(yù)測全尺寸飛機的飛行性能和飛行品質(zhì)，室外測試還原測試環(huán)境的真實性，獲得更可靠的測試數(shù)據(jù)，降低新式布局飛機研制階段的測試成本，可作為風(fēng)洞試驗和CFD計算的補充技術(shù)手段。
[0024]如圖2所示，本實施例中采用的快速發(fā)煙裝置，由斜板底座4、軸流風(fēng)機1、三個6cmX 6cm X 12cm置物籃2、航模拉煙器5和遙控點火器組成。軸流風(fēng)機固定安裝在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向傾斜10°?15°，目的是將煙霧迅速均勻混合在縮比模型試驗機起飛或著陸的測試區(qū)域內(nèi)。將鐵絲3彎成S型從軸流風(fēng)機I邊框的圓孔中穿過，另一端懸掛盛有航模拉煙器5的置物籃2，從而將置物籃均勻布置固定在軸流風(fēng)機外側(cè)，且置物籃朝向軸流風(fēng)機軸向傾斜10°?15°，以使拉煙向軸流風(fēng)機中心聚集。遙控點火器受外部控制系統(tǒng)操控，用于同步點燃航模拉煙器。軸流風(fēng)機I啟動后可以將煙霧迅速混合，待到煙霧在測試區(qū)域呈均勻穩(wěn)定狀態(tài)時，即可開始實驗。對于I米以下高度的測試區(qū)域，在實際測試時，可以不啟動軸流風(fēng)機，航模拉煙器的拉煙能夠滿足均勻布滿測試區(qū)域的要求，當(dāng)測試區(qū)域高度達到2m，則需要啟動軸流風(fēng)機，使拉煙區(qū)域升高。使用軸流風(fēng)機時，可由功率估算軸流風(fēng)機I的轉(zhuǎn)速，以便于后期進行數(shù)據(jù)處理，得到精確度較高的來流速度等流場數(shù)據(jù)。
[0025]該裝置制作簡單，易操作，可解決在較高區(qū)域或測試尺寸較大的無人機，煙霧短時間內(nèi)上升不到或間距太寬難以分布均勻等相關(guān)問題。
[0026]基于上述快速發(fā)煙裝置，本實施例中的飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法包括以下步驟:
[0027]步驟1:依據(jù)待測試的飛機，采用相似原理，制作待測試的飛機的縮比模型試驗機。
[0028]步驟2:依據(jù)縮比模型試驗機的展長尺寸，在縮比模型試驗機戶外測試區(qū)域的起飛著陸跑道兩側(cè)均勻布置若干發(fā)煙裝置;本實施例縮比模型試驗機翼展3m，則在跑道兩側(cè)對稱各排布4個發(fā)煙裝置，兩側(cè)發(fā)煙器間距約4m，同側(cè)發(fā)煙器的間距約2m。
[0029]步驟3:將軸流風(fēng)機連接發(fā)電機啟動，遙控操作點火器同時啟動所有航模拉煙器，使煙均勻散布于測試環(huán)境中；按照中國民用航空總局適航條例CCAR25部中關(guān)于起飛/著陸過程的速度規(guī)定，操縱縮比模型試驗機在測試區(qū)域起飛或著陸，同時利用布置在跑道一側(cè)和/或跑道正前方的攝像機，記錄煙霧隨流場運動圖像；同時利用風(fēng)速儀記錄測試時的風(fēng)速和風(fēng)向。
[0030]步驟4:采用OpenCV圖像追蹤軟件對攝像機記錄的圖像進行處理，得到清晰的流場圖；利用得到的流場圖以及所記錄的測試時的風(fēng)速風(fēng)向和軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，對流場進行誤差修正，分析得到流場動態(tài)參數(shù)。
[0031]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
【主權(quán)項】
1.一種飛機起降階段流場動態(tài)特性戶外測量方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:依據(jù)待測試的飛機，采用相似原理，制作待測試的飛機的縮比模型試驗機； 步驟2:依據(jù)縮比模型試驗機的展長尺寸，在縮比模型試驗機戶外測試區(qū)域的起飛著陸跑道兩側(cè)均勻布置若干發(fā)煙裝置； 步驟3:啟動發(fā)煙裝置，使煙均勻散布于測試環(huán)境中；操縱縮比模型試驗機在測試區(qū)域起飛或著陸，同時利用布置在跑道一側(cè)和/或跑道正前方的攝像機，記錄煙霧隨流場運動圖像;同時記錄測試時的風(fēng)速和風(fēng)向； 步驟4:采用OpenCV圖像追蹤軟件對攝像機記錄的圖像進行處理，得到清晰的流場圖；利用得到的流場圖以及所記錄的測試時的風(fēng)速，分析得到流場動態(tài)參數(shù)。2.—種用于權(quán)利要求1所述測量方法的測量用發(fā)煙裝置，其特征在于:由斜板底座、軸流風(fēng)機、置物籃、航模拉煙器和遙控點火器組成;軸流風(fēng)機固定安裝在斜板底座上，斜板底座朝跑道方向傾斜10°?15° ;若干置物籃均勻布置固定在軸流風(fēng)機外側(cè)，且置物籃朝向軸流風(fēng)機軸向傾斜10°?15° ;航模拉煙器放置在置物籃內(nèi)，遙控點火器受外部控制系統(tǒng)操控，用于點燃航模拉煙器。
【文檔編號】G01M9/00GK105865740SQ201610228289
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】高仁慧, 侯乃丹, 宮磊, 張煒
【申請人】西北工業(yè)大學(xué)