硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟装置及模拟方法与流程

1.本发明涉及风洞试验技术领域，特别涉及一种硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.硬式自主空中加油是空中加油技术的研究前沿，与软式加油相比，具有加油速度快、受油机模型驾驶员操纵负荷小等优势。该技术可以显著延长受油机模型的航程和航时，具有重要的应用价值。飞机在实施硬式自主空中加油时，首先由加油机放下硬式加油杆，并使其向一侧偏转；受油机模型从正下方接近加油机并保持紧密编队，并打开背部的受油口；随后硬式加油杆端部在自主对接控制律的作用下，对接并伸入受油口内锁定；对接成功后，燃油经硬式加油杆向受油机模型输送；加油完成后，硬式加油杆缩回并与受油口脱离。在硬式自由对接过程中，硬式加油杆前端固联在加油机上，杆体在空中飞行并通过舵面控制姿态，并可通过伸缩控制杆体长度，其本体气动阻尼小，存在复杂的气动/飞控耦合问题，需要在地面开展充分验证，否则飞行安全风险极大。风洞虚拟飞是开展飞行器气动/飞控一体化验证的重要手段，与大气飞行相比，具有安全风险低、试验条件可控的显著优点。建立一种硬式自主空中加油对接风洞虚拟飞模拟方法，对于验证硬式自主加油总体方案、硬式加油杆增稳控制律、硬式加油自主对接控制律等具有重要应用价值。因此，目前亟须设计一种能够用于硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的试验装置。


技术实现要素：

3.为验证硬式自主加油总体方案、硬式加油杆增稳控制律、硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性，本发明提出一种硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟装置及模拟方法。
4.为实现上述目的，本发明提供一种硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟装置，包括俯仰－偏航组件、硬式加油杆、伺服舵面，受油机模型；所述俯仰－偏航组件设置于风洞的顶壁，并与所述硬式加油杆转动连接，使所述硬式加油杆具有俯仰和偏航的自由度；所述伺服舵面与所述硬式加油杆活动连接，用于控制所述硬式加油杆的俯仰和偏航；所述受油机模型与风洞的底部活动连接，可相对风洞的底部移动。
5.优选地，所述硬式加油杆包括加油外杆和加油内杆，所述加油外杆与所述俯仰－偏航组件转动连接，所述加油内杆至少部分设置于所述加油外杆中，并且可相对所述加油外杆伸缩。
6.优选地，还包括控制系统，所述控制系统与所述伺服舵面和/或所述受油机模型和/或所述硬式加油杆信号连接。
7.优选地，还包括图像传感器，所述图像传感器设置于所述硬式加油杆上，并与所述控制系统信号连接。
8.优选地，还包括导轨，所述受油机模型通过所述导轨相对风洞移动。
9.优选地，还包括设置在风洞顶壁的安装板，所述俯仰－偏航组件与所述安装板固定连接或铰接。
10.优选地，所述伺服舵面的数量为两个，所述伺服舵面之间呈v型。
11.本发明为解决技术问题还提供另一种技术方案，一种模拟方法，通过上述的模拟装置实现，包括以下步骤：调节风洞起风至试验风速；通过伺服舵面控制硬式加油杆的姿态；根据预设的第一指令控制受油机模型运动；根据预设的第二指令控制硬式加油杆与受油机模型对接。
12.优选地，根据预设的第二指令控制硬式加油杆与受油机模型对接包括以下步骤：通过图像传感器获取硬式加油杆与受油机模型的相对位置信息，并将该位置信息传给控制系统，控制系统根据位置信息调整伺服舵面的姿态，进而调整硬式加油杆的位置；当硬式加油杆与受油机模型的相对距离小于预设的第一阈值时，进入对接流程。
13.优选地，所述对接流程包括以下步骤：控制系统控制加油内杆的端点接近受油口，同时，图像传感器收集加油内杆与受油口的相对位置信息，并传递给控制系统，以调整加油内杆的相对位置；当加油内杆的端点与受油口的相对距离小于预设的第二阈值时，控制系统向硬式加油杆发出伸缩指令，使加油内杆伸入受油口内。
14.与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：1、本发明可进行硬式空中加油对接过程的模拟，实现硬式加油对接风洞飞行试验，以验证硬式自主加油总体方案、硬式加油杆增稳控制律、硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性。
15.2、基于本发明的模拟方法建立的仿真模型，主要用于前期的系统设计与优化，可以较为快速地对设计方案进行多轮优化、改进，使设计不至于盲目，节省前期设计阶段在时间、人力、物力、财力等各方面成本。
16.3、相比于现有的舵面，v型的伺服舵面结构简单，且对于硬式加油杆的控制也更加准确。
附图说明
17.图1是本发明第一实施例提供的模拟装置的结构示意图。
18.图2是本发明第二实施例提供的模拟方法的流程示意图。
19.附图标识说明：1、俯仰－偏航组件；2、硬式加油杆；3、伺服舵面；4、受油机模型；5、安装板；6、控制系统；7、图像传感器；8、导轨；20、加油外杆；21、加油内杆；40、受油口标识带；210、内杆标识点。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于
区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。
22.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
23.在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
24.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
25.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应作广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.目前，地面静态试验依然无法全面、客观、真实地反映飞机在实际飞行中的飞行状态的各种特性。而飞行试验可以以全面检测全系统的实际效果，针对飞行中出现的问题，对系统进行优化设计。但飞行试验成本高、周期长、风险大；采用“飞行试验-系统优化”的迭代优化策略，其效费比太低。因此，寻找一种既能贴近实际飞行状态，又在各方面成本控制上有优势的研究手段，是目前亟须解决的技术问题。
27.风洞模拟试验，目前仍是检验理论分析正确性、验证仿真结果可靠性的重要手段，也是最贴近实际飞行状态的地面模拟手段之一。建立这一试验技术，对于验证硬式自主加油总体方案、硬式加油杆增稳控制律、硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性，具有十分重要的意义。
28.请参阅图1，本发明第一实施例提供一种硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟装置，包括俯仰－偏航组件1、硬式加油杆2、伺服舵面3，受油机模型4；俯仰－偏航组件1设置于风洞的顶壁，并与硬式加油杆2转动连接，使硬式加油杆2具有俯仰和偏航的自由度；伺服舵面3与硬式加油杆2活动连接，伺服舵面3可相对硬式加油杆2转动，用于控制硬式加油杆2的俯仰和偏航；受油机模型4与风洞的底部活动连接，可相对风洞的底部移动。
29.模拟装置可模拟空中加油过程，其中，硬式加油杆2和受油机模型4按照相同缩比进行设计，与真实的硬式加油杆2和受油机外形相似、质量相似、质心相似、转动惯量相似，保证它们在风洞试验中的外形尺寸一致。
30.进一步地，硬式加油杆2包括加油外杆20和加油内杆21，加油外杆20与俯仰－偏航组件1转动连接，加油内杆21至少部分设置于加油外杆20中，并且可相对加油外杆20伸缩。
31.优选地，硬式加油杆2上设置有伺服电机（图未示），用于控制加油内杆21的伸缩。
32.进一步地，模拟装置还包括设置在风洞顶壁的安装板5，俯仰－偏航组件1与安装板5固定连接或铰接。可以理解地，在将模拟装置搭建到风洞时，俯仰－偏航组件1通过安装板5与风洞顶壁安装的方式更加方便，且安装后在风洞试验过程中，俯仰－偏航组件1的稳
定性也更好。
33.在一些实施例中，模拟装置还包括控制系统6，控制系统6与伺服舵面3和/或受油机模型4和/或硬式加油杆2信号连接。
34.在一些实施例中，模拟装置还包括图像传感器7，图像传感器7设置于硬式加油杆2上，并与控制系统6信号连接。
35.可以理解地，图像传感器7可获取硬式加油杆2和受油机模型4的图像数据，控制系统6可根据该数据计算出硬式加油杆2与受油机模型4之间的相对距离，并根据该距离来反馈调节硬式加油杆2的姿态，以对准受油机。
36.优选地，图像传感器7设置在加油外杆20靠近俯仰－偏航组件1的一端，加油内杆21远离俯仰－偏航组件1的一端粘贴内杆标识点210，在受油机模型4的受油口设置受油口标识带40，图像传感器7通过识别内杆标识点210和受油口标识带40来获取硬式加油杆2和受油机模型4之间的距离数据。
37.具体地，图像传感器7为ccd相机，ccd相机可实时传回硬式加油杆2和受油机模型4的图像数据，使得控制系统6可实时地对硬式加油杆2进行反馈调节。
38.在一些实施例中，模拟装置还包括导轨8，受油机模型4通过导轨8相对风洞移动。
39.应理解，本发明提供的模拟装置模拟的过程主要是通过调整硬式加油杆2来对准受油机，而受油机只需保持正常的飞行即可，但气流也会对正常飞行的受油机产生影响，因此，为真实地模拟空中硬式加油的过程，控制系统6在通过图像传感器7来使硬式加油杆2靠近受油机模型4的过程中，受油机模型4本身也会有相对轻微的扰动。即受油机模型4会按照预设的程序在导轨8上相对硬式加油杆2前后左右轻微晃动，使得模拟过程更接近真实情况。
40.在一些实施例中，伺服舵面3的数量为两个，两个伺服舵面3之间形状呈v型。每个伺服舵面3通过伺服舵机（图未示）单独控制其绕硬式加油杆2转动。可选地，伺服舵面3的平面形状为矩形、梯形或三角形。优选地，伺服舵面3的平面形状为矩形。
41.请结合图1和图2，本发明的第二实施例还提供一种模拟方法，通过第一实施例提供的模拟装置实现，包括以下步骤：调节风洞起风至试验风速；通过伺服舵面3控制硬式加油杆2的姿态；根据预设的第一指令控制受油机模型4运动；根据预设的第二指令控制硬式加油杆2与受油机模型4对接。
42.进一步地，根据预设的第二指令控制硬式加油杆2与受油机模型4对接包括以下步骤：通过图像传感器7获取硬式加油杆2与受油机模型4的相对位置信息，并将该位置信息传给控制系统6，控制系统6根据位置信息调整伺服舵面3的姿态，进而调整硬式加油杆2的位置；当硬式加油杆2与受油机模型4的相对距离小于预设的第一阈值时，进入对接流程。
43.在一些实施例中，对接流程包括以下步骤：控制系统6控制加油内杆21的端点接近受油口，同时，图像传感器7收集加油内杆
21与受油口的相对位置信息，并传递给控制系统6，以调整加油内杆21的相对位置；当加油内杆21的端点与受油口的相对距离小于预设的第二阈值时，控制系统6向硬式加油杆2发出伸缩指令，使加油内杆伸入受油口内。
44.应理解，控制系统6通过控制伺服舵面3的姿态来调整硬式加油杆2的相对位置，伺服舵面3控制硬式加油杆2的具体方式如下：控制系统6根据图像传感器7实时传来的加油内杆21端点与受油口之间的相对位置信号，实时生成舵面驱动指令——记左侧、右侧伺服舵面3与硬式加油杆2的杆体基准面之间的夹角分别为δ
l
、δr；当加油内杆21端点过高时，则舵面驱动指令为同时增大δ
l
、δr，以使伺服舵面3的水平投影面积减小，总升力降低，硬式加油杆2的末端下沉；当加油内杆21端点过低时，则舵面驱动指令为同时减小δ
l
、δ
r，
以使伺服舵面3水平投影面积增大，总升力增大，硬式加油杆2末端上升；当加油内杆21端点偏向左侧时，则舵面驱动指令为增大δ
l
，减小δr，以使左侧伺服舵面3产生的升力的水平分量大于右侧伺服舵面3产生的升力的水平分量，硬式加油杆2末端向右运动；当加油内杆21端点偏向右侧时，则舵面驱动指令为减小δ
l
，增大δr，以使左侧伺服舵面3产生的升力的水平分量小于右侧伺服舵面3产生的升力的水平分量，硬式加油杆2末端向左运动。
45.应理解，本发明实施例提供的模拟装置和模拟方法可实现硬式空中加油对接风洞虚拟飞行的模拟，通过模拟过程获得的数据来验证硬式自主加油总体方案、硬式加油杆2增稳控制律、硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性。其中，硬式自主加油总体方案主要包括加油外杆20和加油内杆21的长度、外直径和内直径，以及伺服舵面3的平面形状、翼型、弦长和展长，可通过更换不同加油外杆20和加油内杆21来对不同尺寸的硬式加油杆2进行模拟，以获得最优解；硬式加油杆2本身的阻尼很小，在空中的姿态受气流影响很大，硬式加油增稳控制律主要是通过调节伺服舵面3来控制硬式加油杆2的整体姿态。
46.硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性的验证，则是通过在模拟过程中获取的具体数据来进行，例如，当加油内杆21端点偏向右侧x厘米时，则舵面驱动指令为减小δ
l
到δ
l
`，增大δr到δr`，以使左侧伺服舵面3产生的升力的水平分量小于右侧伺服舵面3产生的升力的水平分量，而根据偏向距离和调整角度以及调整的效果，即可对硬式加油自主对接控制律的合理性和有效性的验证。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。