氣動(dòng)載荷測量的案例
襟翼氣動(dòng)載荷測量方法優(yōu)化
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計(jì)算方法、測壓孔布置方案和插值方法
1) 計(jì)算方法
如圖1所示，取襟翼展向上任一橫截面，則該橫截面所受展向單位氣動(dòng)載荷包括阻力FX、升力FY和鉸鏈軸力矩M。其中，F(xiàn)X和FY可通過式（1）轉(zhuǎn)化為沿弦向（x方向）的分力即弦向力Fx和垂直于弦向力（y方向）的垂向力Fy。
圖1 襟翼展向某橫截面所受氣動(dòng)載荷示意圖
由于對(duì)低速流體氣動(dòng)力問題已有較成熟的CFD技術(shù)，因此本文認(rèn)為CFD計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映低速風(fēng)洞試驗(yàn)測壓數(shù)據(jù)，并假定測壓孔對(duì)襟翼氣動(dòng)性能的影響可以忽略不計(jì)。首先基于CFD數(shù)據(jù)，將壓力在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上進(jìn)行第二類曲線積分，得到單位展長襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩作為參考值；然后在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上從前緣點(diǎn)開始順時(shí)針取測壓孔位置并插值得到這些點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值作為測壓孔測得壓力數(shù)據(jù)，將測壓孔數(shù)據(jù)重新在封閉曲線上插值并進(jìn)行第二類曲線積分得到單位展長襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩測量值；最后通過相對(duì)誤差來考察該測壓孔布置方案的測量準(zhǔn)確度。
2) 襟翼壓力分布規(guī)律
圖2和圖3比較了不同迎角和不同橫截面的襟翼壓力沿弦向分布的規(guī)律。
展開 案例分享 | 氣動(dòng)彈性協(xié)同仿真飛行載荷工具包
作為公認(rèn)的飛機(jī)載荷、流體動(dòng)力學(xué)及氣動(dòng)彈性領(lǐng)域的領(lǐng)先專業(yè)廠家，斯特林動(dòng)力公司已通過全球航空航天質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) AS9100 認(rèn)證，并且是 ITAR（國際武器貿(mào)易條例）管制委員會(huì)的成員。
簡介
作為英國 NATEP（國家航空航天技術(shù)計(jì)劃）倡議的一部分，斯特林動(dòng)力公司與 MSC軟件（英國）合作開發(fā)出一種用于飛機(jī)載荷的非線性氣動(dòng)彈性工具包（參考文獻(xiàn) 1），并由最終用戶 BAE Systems 提供支持。通常會(huì)采用線性飛機(jī)模型來進(jìn)行飛機(jī)載荷評(píng)估（例如陣風(fēng)和機(jī)動(dòng)載荷），但只將其視為一種可接受的分析手段，其中包括用非線性項(xiàng)改進(jìn)建模精度和可靠性。通常只有那些定制開發(fā)出自有工具包的大型航空航天 OEM 廠家才擁有非線性氣動(dòng)彈性解決方案。目前大多數(shù)飛機(jī)公司（兩家最大的 OEM 廠家除外）在進(jìn)行處理時(shí)均基于線性假設(shè)，并已被認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)可作為飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中生成陣風(fēng)和機(jī)動(dòng)載荷的合規(guī)手段。
由于通常認(rèn)為線性模型過于保守，因此會(huì)使較小的 OEM 廠家處于不利地位。斯特林動(dòng)力公司的項(xiàng)目目標(biāo)是開發(fā)自己的內(nèi)部工具包。與此同時(shí)，作為同一計(jì)劃的一部分，MSC 軟件（英國）的工具開發(fā)目的是開發(fā)商用產(chǎn)品。后面幾節(jié)將對(duì) MSC 的開發(fā)工作進(jìn)行詳細(xì)說明。
MSC 軟件協(xié)同仿真 CFD—FEA 組合
氣動(dòng)彈性 CFD 機(jī)動(dòng)工具包的主要特點(diǎn)在于它基于廣泛使用的 MSC Nastran 來進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，采用 Cradle 的 scFLOW 處理計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，輸入則由最終用戶 BAE Systems 提供。該工具可提高非線性氣動(dòng)彈性效應(yīng)的逼真度，這種效應(yīng)會(huì)影響飛機(jī)在廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）設(shè)計(jì)空間中所承受的載荷。
展開 中國航空學(xué)會(huì)氣動(dòng)分會(huì)-飛行載荷專業(yè)工作會(huì)順利召開
2019年10月10日，在揚(yáng)州市科技局和發(fā)改委的支持下，中國航空學(xué)會(huì)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)飛行載荷專業(yè)工作會(huì)在沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所揚(yáng)州協(xié)同創(chuàng)新研究院召開。參會(huì)人員包括中科院、清華、浙大、北航、南航、西工大、廈大、上飛院、航天十一院以及航空工業(yè)氣動(dòng)院、沈陽所、成都所、直升機(jī)所、試飛院、沈陽所揚(yáng)州院等32所國內(nèi)外知名院校、科研單位的飛行載荷領(lǐng)域?qū)＜医淌冢暇┨鞗氒浖邢薰咀鳛橹悄芙！⒖焖僭u(píng)估、智能優(yōu)化、專家系統(tǒng)建設(shè)方向的研究企業(yè)參加此次會(huì)議，共同探討了飛行載荷專業(yè)的發(fā)展方向，并針對(duì)飛行載荷領(lǐng)域的設(shè)計(jì)難題展開了技術(shù)交流。
大會(huì)上，南京天洑軟件有限公司航空航天事業(yè)部部長崔樹鑫博士進(jìn)行了航空航天解決方案的詳細(xì)介紹，包括智能建模、快速評(píng)估、智能優(yōu)化、專家系統(tǒng)方面的解決方案；分享了行業(yè)內(nèi)的一些典型案例，包括飛行器外氣動(dòng)、進(jìn)氣道、核心部件方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化案例，平臺(tái)開發(fā)等，并就航發(fā)匹配的相關(guān)議題與各單位飛行載荷領(lǐng)域?qū)＜医淌谶M(jìn)行了技術(shù)研討。
隨著我國航空航天領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，飛行載荷設(shè)計(jì)在有/無人駕駛的軍用、民用和通用飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要性與日俱增。此次會(huì)議針對(duì)模飛試驗(yàn)、動(dòng)載荷設(shè)計(jì)、高校飛行載荷專業(yè)設(shè)置以及非固定翼飛行器飛行載荷設(shè)計(jì)等議題開展了深入探討，致力于提升飛行載荷設(shè)計(jì)水平，不斷加大科技創(chuàng)新投入力度，為航空航天領(lǐng)域飛行載荷設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提供了有益參考。
展開 NASA完成被動(dòng)氣動(dòng)彈性剪裁機(jī)翼第一階段載荷試驗(yàn)
傳感器的種類很多，包括傳統(tǒng)的應(yīng)變儀、光纖傳感器和數(shù)字圖像相關(guān)傳感器，以測量沿整個(gè)機(jī)翼表面的應(yīng)變。
塔明格說：“實(shí)驗(yàn)室中重新制造的機(jī)翼，想要保證能在空中完成飛行，是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。飛行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須能夠承受如此大的翼尖偏轉(zhuǎn)，載荷系統(tǒng)的細(xì)微差別使得這項(xiàng)試驗(yàn)更具吸引力和挑戰(zhàn)性。”
PAT機(jī)翼于4月首次到達(dá)，實(shí)驗(yàn)室工作人員于7月完成了對(duì)結(jié)構(gòu)的地面振動(dòng)測試。載荷測試于9月開始，第二階段將于10月開始。載荷實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的試驗(yàn)夾具，以及一系列翼下驅(qū)動(dòng)器、液壓驅(qū)動(dòng)器和電纜，以便模擬機(jī)翼上的分布式空氣壓力載荷。
工作人員正在檢查被動(dòng)氣動(dòng)彈性剪裁（PAT）機(jī)翼試驗(yàn)夾具的接線。
PAT機(jī)翼在加利福尼亞州NASA阿姆斯特朗飛行研究中心飛行載荷實(shí)驗(yàn)室的夾具上進(jìn)行試驗(yàn)。
為了開展PAT機(jī)翼的試驗(yàn)，校準(zhǔn)研究機(jī)翼（CREW Wing）已經(jīng)通過了測試，對(duì)硬件和程序都經(jīng)過了驗(yàn)證。CREW機(jī)翼來自MQ-9，類似于NASA以前在阿姆斯特朗飛行的遙控飛機(jī)伊卡納（Ikhana）。CREW機(jī)翼由亞利桑那州戴維斯·蒙森空軍基地提供。兩個(gè)機(jī)翼具有相同的儀器布局，并收集了類似的數(shù)據(jù)。
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NASA被動(dòng)氣動(dòng)彈性剪裁機(jī)翼完成第二輪載荷試驗(yàn)
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被動(dòng)氣動(dòng)彈性剪裁（PAT）機(jī)翼在最高試驗(yàn)載荷下的彎曲狀態(tài)。
在10月開展的第二輪載荷試驗(yàn)初期，發(fā)現(xiàn)機(jī)翼具有比預(yù)想更好的變形性能，因此，團(tuán)隊(duì)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了一些修改。
試驗(yàn)中一個(gè)令人驚喜的意外收獲是，絲束牽引技術(shù)使得翼尖向前緣偏轉(zhuǎn)。從氣動(dòng)角度來看，將載荷轉(zhuǎn)移到機(jī)翼結(jié)構(gòu)較厚部位，有利于被動(dòng)地減輕陣風(fēng)載荷的影響。
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工作人員在監(jiān)測被動(dòng)氣動(dòng)彈性彈性（PAT）機(jī)翼的測試過程。
米明格希望盡快將機(jī)翼由當(dāng)前約30%縮比擴(kuò)大到全尺寸，以便從商業(yè)運(yùn)輸?shù)慕嵌仍u(píng)估其優(yōu)勢。最終，使用PAT機(jī)翼可以節(jié)省的燃料量將決定其最終的價(jià)值，一般而言，增加機(jī)翼展長也會(huì)帶來結(jié)構(gòu)重量的增加，但絲束牽引技術(shù)可以讓機(jī)翼獲得減阻和減重的綜合效益，從而轉(zhuǎn)化為燃油效率的優(yōu)勢。
阿姆斯特朗飛行負(fù)載實(shí)驗(yàn)室首席測試工程師拉里哈德森（Larry Hudson）表示，這項(xiàng)研究的另一個(gè)很重要的收獲是，讓研究團(tuán)隊(duì)掌握了高度柔性、大展弦比機(jī)翼的試驗(yàn)方法，學(xué)會(huì)了如何使用特殊的架空加載系統(tǒng)（overhead loading system）來達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，掌握了應(yīng)對(duì)高度柔性機(jī)翼在試驗(yàn)中翼尖會(huì)產(chǎn)生較大位移的方法，這使得該團(tuán)隊(duì)有能力對(duì)其他柔性機(jī)翼開展類似的試驗(yàn)。
該項(xiàng)目由NASA航空研究任務(wù)事務(wù)部的先進(jìn)航空運(yùn)輸技術(shù)（AATT）項(xiàng)目資助。
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