基于深度学习技术的激波风洞智能测力系统研究

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.      

DEEP-LEARNING-BASED INTELLIGENT FORCE MEASUREMENT SYSTEM USING IN A SHOCK TUNNEL 1)

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.     

长试验时间激波风洞测力技术研究

中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,我们考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1kN到30kN,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,我们应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.      

循环神经网络在智能天平研究中的应用

激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.      

基于时频变换的激波风洞天平信号分析与处理

在激波风洞中开展测力试验时,测力系统在风洞流场起动瞬间会受到冲击激励,从而对天平的输出信号产生惯性干扰.天平输出信号中叠加有动态气动力信号和惯性振动信号,有可能无法直接分辨出气动力信号的规律性,信号处理结果与真实气动力之间会产生较大的误差,导致处理结果不可靠.由于模型测力天平系统结构的复杂性,在极短的有效试验时间(毫秒...     

WIND TUNNEL FREE-FLIGHT TEST WITH BIPLANAR OPTICAL SYSTEM ON THE SPINNING BLUNT CONE

在高超声速风洞中开展了双平面拍摄风洞自由飞试验, 对高超声速下(6马赫)旋转钝锥的动稳定特性进 行了研究.采用两光路垂直正交的双平面拍摄光路系统, 实现了对风洞中自由飞行的旋转钝锥在水平和垂直2个平面内飞行姿态的直接同步拍摄和记录, 实现对模型锥形运动在2个平面的直观观察和深入研究.利用双平面同步拍摄的试验数据, 对双平面数据辨识方法进行了研究, 进而获得了模型的静、动导数系数, 给出了判断模型运动稳定性的判据.     

高超声速激波风洞研究进展

回顾了高超声速激波风洞的研制与发展,并依据高超声速实验研究对地面实验模拟技术的要求,分别介绍了应用轻气体、自由活塞和爆轰驱动技术研制的主要激波风洞的性能、特点和存在问题.重点介绍了爆轰驱动高焓激波风洞的3种主要运行模式:反向、正向爆轰驱动与双爆轰驱动. 根据这些运行模式的工作原理,分析了应用这些驱动技术产生的高温、高压气源的特点,探讨了不同驱动技术可能影响激波风洞性能的关键问题与解决方法.目前发展的激波风洞已经能够用于开展马赫数3$\sim$30的高超声速流动的试验模拟研究,但是试验气流的品质还不能满足高超声速科技研究的需求.为了获得可靠的实验结果, 通过不断改进、完善、提高激波风洞的性能,尽可能复现高超声速飞行条件是今后主要的研究方向.      

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

双目视觉技术在高超声速颤振风洞试验中的应用

以验证高超声速颤振风洞试验技术为目标,为了获取试验模型在风洞流场激励下的位移形貌,运用风洞试验的方法研究了某翼面模型的颤振特性。采用一种基于双目视觉系统的试验方法,系统主要由CCD相机、图像采集卡和控制计算机组成,通过立体视觉标定和数字图像处理技术解算出模型变形的形貌。试验结果表明,该方法应用成功,与CFD/CSD数值计算结果比对良好,验证了该技术在高超声速风洞试验中应用的可行性。     

高超声速点泉流场中的气动力

高超声速点泉流场是一种典型的非均匀来流流场。很多高速高焓地面实验设备,如具有锥型喷管的激波管风洞、炮风洞、电弧风洞等,其流场均具有高超声速球型膨胀的点泉流动特征。某些外部绕流也是如此。我们要用简便而正确的解析方法确定这种非均匀来流中物体的气动力,分析非均匀来流对压力分布及各种气动特性的影响。已有的一些     

Design of a pulse-type strain gauge balance for a long-test-duration hypersonic shock tunnel

When the measurement of aerodynamic forces is conducted in a hypersonic shock tunnel, the inertial forces lead to low-frequency vibrations of the model, and its motion cannot be addressed through digital filtering because a sufficient number of cycles cannot be obtained during a tunnel run. This finding implies restrictions on the model size and mass as the natural frequencies are inversely proportional to the length scale of the model. Therefore, the force measurement still has many problems, particularly for large and heavy models. Different structures of a strain gauge balance (SGB) are proposed and designed, and the measurement element is further optimized to overcome the difficulties encountered during the measurement of aerodynamic forces in a shock tunnel. The motivation for this study is to assess the structural performance of the SGB used in a long-test-duration JF12 hypersonic shock tunnel, which has more than 100 ms of test time. Force tests were conducted for a large-scale cone with a \(10^{\circ }\) semivertex angle and a length of 0.75 m in the JF12 long-test-duration shock tunnel. The finite element method was used for the analysis of the vibrational characteristics of the Model-Balance-Sting System (MBSS) to ensure a sufficient number of cycles, particularly for the axial force signal during a shock tunnel run. The higher-stiffness SGB used in the test shows good performance, wherein the frequency of the MBSS increases because of the stiff construction of the balance. The experimental results are compared with the data obtained in another wind tunnel and exhibit good agreement at \(M = 7\) and \(\alpha =5^\circ \).     

融入压力分布信息的气动力建模方法

气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.      

某飞机部件测力风洞试验天平研制与应用

为满足某飞机部件高速风洞测力试验的需要,研制了四台部件测力天平,用来同时测量飞机机翼不同部件(全翼、外翼、翼尖弹、弹架组合)所受的气动载荷。由于是全模试验,天平的设计载荷不匹配,安装空间极度受限。设计时,全翼天平采用了机身中部安装方案、外翼天平与机翼加工成一体并且采用了新型多柱梁结构;翼尖弹天平和弹架组合天平采用了杆式天平方案。上述措施不仅满足了天平的测量需要,也确保了天平在模型中的安装位置以及测力的有效性。该部件测力试验已经在中国空气动力研究与发展中心FL-26风洞完成。试验结果表明,天平测力结果准确可靠,精准度高,达到了预期的目标。     

Aerodynamic experimentation with ducted models as applied to hypersonic air-breathing vehicles

 A methodology of experimentation in high supersonic wind tunnels for studying aerodynamic characteristics of hypersonic flying vehicles powered by air-breathing engines is discussed. Investigations of such total aerodynamic forces as drag, lift and pitching moment at testing the models are implicit when the air flow through the model ducts is accomplished so that to provide the simulation of the external flow around the airplane and flow over the inlets, but the operating engines and, hence, the exhaust jets are not modeled. The methods used for testing such models are based on the measurement of duct stream parameters alongside with the balance measurement of aerodynamic forces acting on the models. In the tests, aerometric tools are used such as narrow metering nozzles (plugs), pitot and static pressure probes, stagnation temperature probes and pressure orifices in walls of the model duct. The aerometric data serve to determine the flow rate and momentum of the stream at the duct exit. The internal non-simulated forces of the model ducts are also determined using the conservation equations for energy, mass flow and momentum, and these forces are eliminated from the aerodynamic test results. The techniques of the said model testing have been well developed as applied to supersonic aircraft, however their application for hypersonic vehicles whose models are tested at high supersonic speeds, Mach number M _∞>4, implies some specific features. In the present paper, the results of experimental and theoretical study of these features are discussed. Some experimental data on aerodynamics of hypersonic aircraft models received in methodological tests are also presented. The tunnel experiments have been carried out in the Mach number range M _∞=2–6. Received: 25 July 1996/ Accepted: 14 December 1998     

飞机大迎角俯仰运动下的横侧向气动特性及被动控制

在南航3m低速风洞内,利用一套两自由度动态试验机构,通过测力实验研究了某飞机模型静态和俯仰动态过程中大迎角下的横侧向气动特性,分析比较了在模型头部加上扰动片后,对横侧向气动特性产生的影响.研究结果表明,模型在静态大迎角下会产生较大的侧向力和偏航力矩,而模型的快速上仰过程则进一步加剧了模型头部流动的非对称性,在大迎角下产生较大的偏航力矩迟滞环;当在模型头部加扰动片后,不论是静态过程还是动态过程,都使得模型的侧向力和偏航力矩减小,从而改善了俯仰运动过程中大迎角下的横侧向气动特性.     

Dynamic calibration of force balances for impulse hypersonic facilities

This paper analyzes different techniques for the calibration of force balances for use in short-duration impulse hypersonic facilities such as shock tunnels. The background to how deconvolution can be used to infer aerodynamic forces on models in impulse hypersonic wind tunnels is presented along with the theory behind the different calibration techniques. Four calibration techniques are applied to a single-component stress-wave force balance. Experiments in the T4 shock tunnel using the balance demonstrate the suitability of the different calibrations for force measurements in an impulse facility. Cross checks between the calibration techniques are used to check their ranges of validity. It is shown that the impulse response derived from tests in which the model and force balance are suspended from a fine wire and the wire cut agree well with impulse responses derived from calibrations made using an impact hammer. The suitability of the balance for measuring dynamic forces is demonstrated by showing that the drag force on a model follows the history of Pitot pressure in the test section in the tunnel shots.Received: 17 May 2002, Accepted: 11 December 2002, Published online: 6 March 2003PACS: 47.40.Ki, 47.80.+v, 07.10.Pz