[发明专利]风洞自由飞模型相似设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及风洞自由飞试验领域，尤其涉及一种风洞自由飞模型相似设计方法。

背景技术

风洞自由飞试验是飞行器动态特性研究中的一种重要手段。其试验原理是在保证风洞试验与飞行状态的动力学相似的情况下，真实地再现飞行器自由飞行状态下由非定常气动力作用下的动态特性，通过高速摄影对飞行器的运动特征进行直接记录和观察，同时基于气动参数辨识技术，根据试验中高速摄像机拍摄记录的模型角位移和线位移数据，获得飞行器的静、动稳定导数系数，以及阻力、升力系数等。使用小尺度模型来预测全尺度飞行器的动态特性主要依靠一系列的相似准则，而风洞自由飞试验有其特殊性，既须满足通常风洞试验所要求的气动相似准则，又须满足模型(飞行器)在气流中运动的动力学相似准则，需同时满足质心位置(对面对称飞行器而言还需保证高度方向的质心相似)和转动惯量的相似是风洞自由飞模型设计的一个重要特点；同时为确保试验取得准确结果，模型设计还应满足一个与风洞可视区域相关的设计准则，也就是在风洞观察窗范围内，尽可能增加模型在可视区域内(即风洞的观察窗)的角运动周期数(高速摄影记录)，以增加和改善分析精度。为满足此准则，要求模型必须具有大质量/转动惯量比。

因此风洞自由飞模型的设计必须全局、综合地考虑上述所有因素和要求，才能确保风洞自由飞试验既能够真实模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息，但要兼顾上述所有的因素和要求，显然会使模型的设计难度非常大，若无一定的设计方法和技巧，将无法实现如此复杂的模型设计，因而提出一种简单、实用、有效的风洞自由飞模型的相似设计方法对于保障风洞自由飞试验技术的有效实现具有重要意义。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种风洞自由飞模型相似设计方法，能够简单、实用、有效地实现对风洞自由飞模型的相似设计，并满足模型角运动周期数要求，从而确保试验既能真实的模拟飞行器的实际飞行状态，又能获得足够多的有效试验信息。

本发明的技术方案为：

一种风洞自由飞模型相似设计方法，步骤如下：

步骤(1)根据风洞观察窗直径L、实际飞行器的质量m_f、转动惯量I_f、长度l_f以及飞行器阻力系数C_D和静导数系数和模型在风洞观察窗区域内需获得的最大角运动周期数n，可得出模型的尺寸缩比比例其中，l_ex为模型长度，n＞2，k_l的取值应使模型的长度l_ex不超过风洞观察窗直径L的一半；

步骤(2)根据实际飞行器的质量m_/和体积V_f得到其平均密度给定缩比后模型的密度值ρ_ex，可得密度缩比比例ρ_ex的取值介于外壳密度和内核密度之间；

步骤(3)根据质量缩比比例及已知实际飞行器的质量m_f，可得模型的质量

步骤(4)根据转动惯量缩比比例及已知实际飞行器的转动惯量I_f，可得模型的转动惯量

步骤(5)根据步骤(3)所得的m_ex、步骤(4)所得的I_ex和已知的实际飞行器轴向的无量纲质心位置设计模型，具体为：通过将具有一定密度的内核放置在质心位置附近以使模型获得质心位置通过调整模型外壳的厚度、模型内部挖空质量的大小以及内核的形状、尺寸和密度以使模型获得质量m_ex，其中，内核密度与外壳密度比为ρ_核/ρ_壳≥6.0。

优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(5)中，通过调节模型内部挖空质量的大小以使所述模型获得转动惯量I_ex。

优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，还包括：步骤(6)若步骤(5)无法设计出能够同时获得m_ex、I_ex和的模型，则返回步骤(2)，减小ρ_ex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。

优选的是，所述的风洞自由飞模型相似设计方法中，步骤(6)中，如步骤(5)中所选择的模型外壳的厚度低于第一厚度阈值，则返回步骤(2)，减小ρ_ex值，再重复步骤(3)-步骤(5)。