[发明专利]临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅机敏结构形态感知重构与可视化的实验平台与方法，尤其针对一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台和方法。

 

背景技术

临近空间是指距地面20km～100 km的空域，它横跨平流层、中间层和部分热层，而临近空间飞行器特指能在该空域作持续飞行并完成一定使命的飞行器。就飞行方式和原理而言，临近空间飞行器主要包括平流层飞艇、平流层高空气球、平流层半可控浮空器、太阳能平流层飞机、平流层无人机和高超音速飞行器(HCV)等。其中，高超声速飞行器一般是指飞行速度在5 Ma 以上，使用吸气式超燃冲压发动机作为推进动力的临近空间飞行器，可以实现高速长距离持续飞行，是人们实现“空天往返”和追求“全球即时到达”理想目标的一种较为现实的选择。在军事上可用于情报搜集、通信保障、侦察监控，武器装备系统的远程战略投送，对于增强陆、海、空、天的武器装备无缝连接，扩展信息优势，提高联合作战能力，具有十分重要的应用潜力。在民用方面主要可用于环境变化和气象数据探测，交通及环境污染监控，洪水、火灾或地震等灾害监视和指挥救援，局域通信，数据传输中继，移动通信等，以及发展成为未来超高速空中交通运输平台。所以，高超声速飞行器的研究对军事战略与和平利用空间具有重大意义，它已成为目前国际航空航天领域的研究热点；目前最具代表性的研究为美国的高超声速飞行器试验（Hyper -X）计划，高超声速技术（HyTech）计划和高超声速飞行（HyFly）计划。

高超声速飞行器由于采用轻质材料，在高超声速、高速流场和高机动条件下飞行时，极易受到高速流场作用和扰动激励；各种复杂的力学过程不可能完全精确地考虑到飞行器控制模型中，飞行过程中往往又会受到各种事先无法完全预知的扰动，这些因素的共同作用极易使得飞行器产生结构变形，以及发生结构弹性振动；较低的振动变形模态频率与飞行器短周期运动频率的接近，不仅会加剧低频变形，同时在气动弹性系统处于不稳定状态下可能产生严重的低频颤振，对飞行器结构具有巨大作用性和重大破坏性。因此针对飞行器重要结构进行低频大幅振动响应的主动监测，不仅可以使飞行操作人员或地面监测人员实时了解当前飞行器的结构安全与健康运行状态，而且可以基于结构振动形态感知实施振动主动控制，以消除或抑制当前飞行器结构的危险振动状态。

高超声速飞行器涉及到的关键技术包括推进技术、材料技术、空气动力学技术、飞行控制技术和研发、试验和评估的一体化等。为了研制出满足设计要求的高超声速飞行器，前期基础性的理论方法、相关技术和实验分析等研究过程必不可少，同时工程研制还必须一体化地运用模拟和仿真、地面试验和飞行试验等手段。有鉴于此，本发明提出一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台与方法，结合国内外临近空间超高音速飞行器的研究现状，设计类似飞行器框架实验模型；研究与制作分布式光纤光栅传感阵列及其模块化检测单元，并基于非视觉传感方法将光纤光栅传感阵列正交分布式植入到实验模型纵向框架结构，以及表面分布式植入到实验模型的水平尾翼，通过获取结构变形的分布传感曲率信息并经三维空间图形拟合重构方法，得以在计算机上重建机体结构形状并实现结构形变和振动状态可视化，从而实现整体实验模型的结构形态变化和低频振动状况的主动监测。

发明内容

本发明目的是提供一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台与方法，可以对基于光纤光栅传感阵列的实验模型的结构形态变化感知与重构，以及进行可视化显示的方法和技术提供实验验证手段，并为探索飞行器结构形态变化主动监测技术方法的进一步实际应用提供基础研究支撑。

为达到上述目的，本发明的构思是：结合国内外临近空间超高音速飞行器的研究现状，设计类似飞行器框架实验模型，并在模型框架的纵向龙骨和水平机翼中分布式地植入布拉格光纤光栅传感阵列。当实验模型发生静态变形或低频振动时，通过布拉格光纤光栅传感阵列检测出各分布光栅测点的应变信息，然后转化为各分布测点的离散曲率信息，利用基于正交曲率的空间形态拟合与重构算法，并结合计算机图形处理技术，在计算机屏幕上对实验模型的结构变形或低频振动状况进行重建，进而实现实验模型的结构形变或振动形态实时可视化显示。

根据上述发明构思，本发明采用如下的技术方案和方法：