火箭橇滑车系统试验气动特性修正方法与流程

本发明涉及火箭橇滑车系统试验数据处理领域，涉及到火箭橇滑车系统试验气动特性修正计算方法，具体涉及火箭橇滑车试验中的阻力伞及降落伞及其数据处理领域，涉及到一种火箭橇滑车-阻力伞系统试验数据分析及阻力伞气动及阻力特征计算方法。

背景技术：

火箭橇滑车系统是指由助推火箭推动火箭橇沿滑轨运动，从而牵引试验件(如阻力伞等)，用以测试试验件工作性能的试验装置。火箭橇滑车系统的主要构成部件是火箭橇滑车和试验件，其中，试验件通常是一种气动减速装置，如阻力伞，它辅助高速飞行器着陆，主要应用于飞机、飞船等飞行器中。

阻力伞工作性能的研究方法主要包括理论方法、试验方法以及数值方法。其中，试验方法又包含风洞试验、火箭橇滑车试验、飞机试验和空投试验等。由于构成阻力伞的材料具有非线性的力学特性，一般情况下阻力伞的运动过程也具有非线性的特点。因此，深入的理论分析目前仍非常困难，进展缓慢。

风洞试验一直是阻力伞结构和气动性能分析的重要手段，其实现过程相对简单，数据采集方便，但试验速度、洞壁干扰以及试验段的尺寸均对阻力伞的性能测试有限制。飞机试验能够为阻力伞提供更符合实际应用的试验条件，由于阻力伞主要是应用于飞机。因此，飞机试验数据可以更直观地反映阻力伞的阻力性能。但飞机试验对试验数据采集技术要求更高，试验周期长、风险大、费用高。

火箭橇兴起于二十世纪中后期，采用小型火箭推进作为动力，在专用轨道上运行，牵引被试件，以模拟被试件飞行状态。同时通过光学、电子以及遥感等测试手段，获得被试件运行全过程中的一系列性能参数。火箭橇试验的突出优点是对试验速度和被试件的尺寸限制少。在阻力伞工作性能研究中，只有全尺寸、贴近真实飞行状态的试验才最有价值。火箭橇滑车试验能够较好的满足阻力伞工作性能测试要求。通过火箭橇滑车试验可以测试分析阻力伞近地运动全过程(拉直、充气、张满以及抛伞)的工作性能，包括阻力性能和结构强度等。因此，火箭橇试验成为阻力伞工作性能测试的重要手段。

国际上，火箭橇滑车试验受到美俄等航空航天科技强国的高度重视。美国海军从1945年到1959年，共建有十条不同长度的火箭橇试验滑轨，美国空军在从1950年到1968年，共建有六条不同长度的火箭橇试验滑轨，美国陆军从1953年到1957年共建有四条不同长度的火箭橇试验滑轨。美国霍洛曼空军基地的高精度火箭橇试验轨道(hollomanhighspeedtesttrack,hhstt)是美国最具代表性的火箭橇试验场地，长达15480m，试验最大马赫数为8.5。国内，火箭橇试验滑轨建设晚，导致火箭橇试验应用时间迟，二十世纪九十年代才建成第一条火箭橇滑轨，比国内阻力伞研究晚了四十多年。但发展速度很快，先后建成了三条滑轨。

我国阻力伞方面的火箭橇试验属于较新的研究方法。由于国际上火箭橇滑车试验技术交流受到限制，为了满足我国航空发展和国防建设的需要，我国对火箭橇滑车-阻力伞系统试验的投入不断加大。同时，试验技术和分析手段也不断提高。其中，试验数据的分析处理和阻力伞阻力性能的计算是火箭橇-阻力伞系统研究的关键。

现有的阻力伞研究理论和分析方法，因为没有考虑实验中火箭橇滑车系统运动的非定常特性等因数，并不能准确客观的评估火箭橇试验中试验件的气动性能，给出准确的试验数据分析结果，仍有许多技术环节需要深入研究。另一方面，在火箭橇滑车系统试验中，火箭橇滑车在气动结构、质量、减速特性和尾流场特性等方面与飞机工况存在差异。如果简单地直接处理火箭橇试验数据，得到的试验件的气动性能数据与飞机试验数据或设计值存在差异，不能正确评估设计性能。

因此，现有的火箭橇滑车试验的数据分析理论和方法，已不能准确评估火箭橇试验中试验件的气动性能(特别是阻力伞的阻力性能)。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明的目的在于解决火箭橇滑车系统的试验数据分析问题，揭示试验件气动性能差异的机理，提供一种新的气动特性计算方法，能够准确评估试验件的真实气动性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

首先利用真实滑车和火箭橇平台，进行火箭橇滑车系统试验，并对相关试验物理参数进行测量；在此基础上，针对试验工况，对定常条件中的火箭橇滑车系统进行数值模拟，并与真实试验的非定常状态影响进行比较分析。通过采用非定常修正系数ε对真实试验非定常特性造成的差异进行修正，给出非定常修正公式。同时，针对试验工况，对相应工况下的单独火箭橇进行数值模拟，并对火箭橇尾流场进行分析，采用动压修正系数ξ对试验的动压损失差异进行修正，给出动压损失修正公式。同时，针对有环境影响(如环境侧风影响造成火箭橇尾流差异)的试验工况，对相应情况下的火箭橇滑车系统进行数值模拟，对试验过程环境影响造成的差异进行对比分析，采用环境影响修正系数η对试验的环境影响差异进行修正，给出环境影响修正公式。最后，根据对非定常影响、动压损失、环境影响的分析，对火箭橇滑车系统实验气动特性进行综合修正，给出综合修正公式。

通过所建立的特征计算修正公式对新的实验数据进行处理分析。整体流程框图参见图1。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比具有如下优势：

在本发明实施例中，将该方法应用于火箭撬滑车-阻力伞试验中，但本方法不仅仅限于火箭撬滑车-阻力伞试验，还可以应用于其他所有利用火箭橇滑车系统进行的气动力或阻力的试验。

本发明的火箭橇滑车试验中试验件气动特性计算方法，通过非定常修正因子，量化了试验件非定常运动对气动特性计算值的影响。另一方面，这种计算方法量化了火箭橇滑车尾流动压损失对气动特性计算值的影响；也可以通过环境影响修正因子，量化了环境影响对气动特性计算值的影响。本修正方法可以大大提高火箭橇滑车试验中试验件气动特性分析的精确性，为相关试验件(如阻力伞)的试验和设计提供准确的参考。

附图说明

图1为火箭橇滑车试验中试验件的气动特性分析流程；

图2为非定常影响修正系数随系统加速度的变化；

图3为不同试验动压损失修正系数随速度的变化；

图4为不同环境侧风影响修正系数随环境侧风风速的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做更进一步的解释：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种火箭橇滑车测试平台系统试验中气动特性的计算方法，所述计算方法，一方面通过对比火箭橇滑车测试平台系统试验数据与对应条件下定常流场数值模拟的结果，并进行量化分析，确定火箭橇滑车测试平台系统试验中非定常运动特性对试验数据气动性能差异的影响；另一方面，计算火箭橇滑车测试平台尾流及环境因素(如环境侧风)对试验数据气动性能的差异影响。

上述计算方法具体包括以下步骤：

步骤一，利用真实滑车和火箭橇平台，进行火箭橇滑车系统试验，并对相关试验物理参数进行测量，得到试验数据，分析气动特性；

步骤二，针对试验工况，对定常条件中的火箭橇滑车系统进行数值模拟，计算分析其气动特性；

步骤三，将定常数值模拟结果与真实试验的非定常状态下的试验测量数据进行对比，对试验的非定常影响进行分析，采用非定常修正系数对真实试验非定常特性造成的差异进行修正，给出非定常修正公式；

步骤四，针对试验工况，对相应工况下的单独火箭橇滑车流场进行数值模拟；

步骤五，对火箭橇滑车尾流场进行分析，采用动压修正系数对试验中因火箭橇滑车引起的动压损失差异进行修正，给出动压损失修正公式；

步骤六，针对环境影响(如环境侧风影响造成火箭橇尾流差异)的试验工况，对相应情况下的火箭橇系统进行数值模拟；

步骤七，对试验过程环境影响造成的差异进行对比分析(如环境侧风差异)，采用环境影响修正系数对试验的环境影响进行修正，给出环境影响修正公式；

步骤八，根据对非定常影响、动压损失、环境影响差异的分析，对火箭橇滑车系统实验气动特性进行综合修正，给出综合修正公式。

步骤九，通过所建立的气动特性计算修正公式对新的实验数据进行处理分析。

实例：本实施例通过对火箭橇滑车-阻力伞系统的力学特性和流场特性进行深入分析和探索，揭示试验件气动性能差异的机理、建立了适用于火箭橇试验条件的试验件气动性能计算方法、解决了工程实际问题，具有重要的现实意义。但本方法不仅仅限于火箭撬滑车-阻力伞试验，还可以应用于其他所有利用火箭橇滑车系统进行的气动力或阻力的试验。

在火箭橇滑车阻力伞试验中，阻力系数是评价阻力伞特性的重要指标。通常阻力伞的阻力系数可以表示为：

式中：cd为试验件阻力系数，fs为火箭橇滑车试验中测得的阻力伞拉力，ρ为来流气流密度，u为流量气流速度，a为阻力伞参考面积(一般可取阻力伞名义面积)。

而在实际试验中，由于存在流场的非定常特性、环境影响以及火箭橇尾流场动压损失的影响，使得上述传统方法公式计算的结果误差较大，不能够准确指导产品设计，因此这里对阻力伞阻力系数进行了修正，修正公式为：

式中：ε为试验件非定常影响修正系数，η为环境影响修正系数，ξ为动压损失修正系数。下面对各项修正系数及方法分别进行细述。

1.非定常影响对气动特性的影响

非定常影响对气动特性(如阻力系数)的影响，用ε来衡量，定义为1+ε＝fd/fs。通过实验和数值数据的分析，确定非定常影响量化参数随加速度的变化，通常非定常影响对试验件修正系数的影响可以表示为系统加速度的函数形式，这里以泰勒级数展开关联式为例：

ε＝b0+b1a+b2a²+…+bnaⁿ

式中，a为系统加速度，b0、b1、b2…bn为非定常关联系数。

一般情况下，对于工程实际问题通常可取前两项，即：

ε＝b0+b1a

对于本实例阻力伞伞型，通过实验和数值分析，其非定常影响量化参数随加速度的变化如图2所示，通过最小二乘法求得其关联系数为b0＝1.15×10^-1、b1＝1.1×10^-3，所以对于本实例阻力伞伞型其非定常修正系数为ε＝1.15×10^-1+1.1×10^-3a。

2.动压损失对气动特性的影响

动压损失对气动特性(如阻力系数)的影响，用ξ来量化，定义为1+ξ＝fdf/fd，其中，fdf表示无环境风速、定常、阻力伞对称且远场边界工况下阻力伞的气动阻力；fd表示无环境风且定常条件下火箭橇-阻力伞系统流场数值模拟中阻力伞的气动阻力。通过实验和数值数据分析，确定动压损失修正系数ξ随系统运动速度的变化，同样建立动压损失对阻力伞阻力系数的影响的关联式：

ξ＝c0+c1u+c2u²+…+cnuⁿ

式中，u为来流气流风速，c0、c1、c2…cn为动压损失关联系数。

一般情况下，对于工程实际问题通常取前两项，即：

ξ＝c0+c1u

对本实例阻力伞伞型，通过实验和数值分析，其动压损失量化参数ξ随运动速度的变化关系如图3所示，通过最小二乘法确定其关联系数为c0＝1.02×10^-2、c1＝6.03×10^-4，所以对于本实例阻力伞伞型动压损失修正系数为ξ＝1.02×10^-2+6.03×10^-4u。

3.环境因素对气动特性的影响

对于环境因素对气动特性(如阻力系数)的影响，这里以环境侧风因素为例进行分析。环境侧风对阻力系数的影响，用η来衡量，定义为1+η＝fd2/fd。其中fd2表示无环境侧风、定常条件下阻力伞的气动阻力，fd表示环境侧风、定常条件下阻力伞的气动阻力。通过实验和数值分析，确定环境因素对气动特性的影响系数η随环境侧风风速的变化，建立环境侧风情况对阻力伞阻力系数的影响关联式：

式中，ucw为环境侧风风速，d0、d1、d2…dn为环境侧风关联系数。

一般情况下，对于工程实际问题通常取前两项，即：

η＝d0+d1ucw

对于本实例阻力伞伞型，分别对环境侧风大小为3.2m/s、1.4m/s和0.7m/s的情况进行了实验和数值模拟分析，其侧风影响系数随侧风风速的变化如图4所示，通过最小二乘法，求得相关关联系数为d0＝3.5×10^-3、d1＝5×10^-3，所以，对于本实例阻力伞伞型，其环境侧风影响修正系数为η＝3.5×10^-3+5×10^-3ucw。

4.火箭橇阻力伞实验气动特性综合修正方法

综上所述，综合考虑流场的非定常特性、环境影响以及火箭橇尾流场动压损失的影响，试验件气动特性(如阻力系数)修正关联式可以表示为：

式中：cd为试验件气动系数，fs为火箭橇滑车试验中测得的试验件的拉力，ρ为来流气流密度，u为流量气流速度，a为试验件参考面积(对于阻力伞一般可取其名义面积)，ε为试验件非定常影响修正系数，η为环境影响修正系数，ξ为动压损失修正系数，a为系统加速度，b0、b1为非定常关联系数，u为来流气流风速，c0、c1为动压损失关联系数，ucw为环境风速，d0、d1为环境风速关联系数。

对于本实例，修正系数分别取ε＝1.15×10^-1+1.1×10^-3a，η＝3.5×10^-3+5×10^-3ucw，ξ＝1.02×10^-2+6.03×10^-4u。

本发明的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。