缩比模型遥控飞行验证技术的研究及展望.pdf

第2 卷第1 期 2 0 1 1 年2 月 航空工程进展 A D V A N C E SI NA E R ( ) N A U T I C A LS C I E N C EA N DE N G l N E E R I N G V 0 1 2N o 1 F e b 2 0 1 1 文章编号：1 6 7 4 8 1 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 4 3 0 5 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7 1 0 0 7 2 ) 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 2 1 7 + 1文献标识码：A S t u d ya n dE v o l v e m e n to nF l i g h tT e s tT e c h n i q u eo fR e m o t e l y P i l o t e dS u b s c a l eM o d e l Z h a n gW e i ，G u oQ i n g ，Z h a n gY i z h e ( S c h o o lo fA e r o n a u t i c s ，N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，X i a n7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：S u b s c a l em o d e lf l i g h tt e s tt e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n tp a r to ff l i g h tt e s tt e c h n o l o g y 。g u i d i n gm a n ya s p e c t so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rm o d e r na i r c r a f td e s i g na se f f e c t i v e l yt e c h n i q u ea p p r o a c h e s ，s u c ha sn e w c o n c e p ta i r c r a f tl a y o u t 。c o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o n ，p r o p u l s i o nm e c h a n i s m ，a n dS Oo n I nt h i sp a p e rt h ek e y p o i n t so ff l i g h tt e s ts y s t e mu t i l i z e di nd y n a m i c a l l y - s c a l e dv e h i c l e st h a te n a b l et h ea p p l i c a t i o no fs u b s c a l ef l i g h t t e s tr e s u l t st Of u l ls c a l ev e h i c l e sa r ed e s c r i b e d 。a n dt h e n ，t h eg r o u pr e s e a r c hw o r k si nt h eI n n o v a t i o nC e n t r eo f A e r o n a u t i c a lS c i e n c e8 LT e c h n o l o g yo fN W P Ua r ei n t r o d u c e d T h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h eR e m o t e l yS u b s c a l eM o d e lF l i g h tT e s ti sa na d v a n c e dt e c h n i q u ew h i c hs u p p o r t st h eg o a l so fe f f i c i e n t ，l o w - c o s ta n ds a f e t yf o r e x p e r i m e n t a lf l i g h tr e s e a r c h K e yw o r d s ：s u b s c a l em o d e l ；r e m o t e l yp i l o t e df l i g h tr e s e a r c h ；c o m p a r a b i l i t yl a w ；m u l t i d i s c i p l i n ea p p l i c a t i o n 0 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C F D 计算来确定飞机布局， 收稿日期：2 0 1 0 0 9 1 4 ；修回日期：2 0 1 0 - 1 2 1 1 通信作者：张炜，w e i z h a n g x i a n n w p u e d u c r l 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 试验技术口 。 作为风洞试验和C F D 计算的补充技术手段， 采用缩比模型( S u b s c a l eM o d e l ) 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 万方数据 航空1 = 程进展第2 卷 领域得到应用f 3 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N A S A 兰利研究中心( N A S AL a n g l e y R e s e a r c hC e n t e r ，L a R C ) 使用缩比模型飞机进行飞 行研究已经有很长的历史M ，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( F r e e f l y i n gA i r c r a f tf o rS u b s c a l eE x p e r i m e n t a lR e s e a r c h ，F A S E R ) 7 ，如图1 所示。 图1F A S E R 遥控模型系统 F i g 1 F A S E Rr e m o t ec o n t r o lm o d e ls y s t e m 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 M A T L A B 和S I M U L I N K 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( I M U ) 、G P S 位置速度测 量、惯性导航系统( I N 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，F A S E R 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( R e m o t e l yP i l o t e dR e s e a r c hV e h i c l e ，R P R V ) 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 员一地面模拟座舱一上行下行数据传输系统一带 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。N A S A 建立了一个缩比运输机飞行试 验研究平台( A i r S T A R ) ，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2A i r S T A R 系统概念图 F i g 2C o n c e p to fA i r S T A Rs y s t e m 试验用模型飞机有S 2 和T 2 两个型号，S 2 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3S 2 和T 2 模型飞机 F i g 3 S 2a n dT 2m o d e la i r c r a f t 万方数据 第1 期张炜等：缩比模型遥控飞行验证技术的研究及展望 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G P S 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 A T L A B S I M U I 。I N K 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 I T L 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