模拟飞行

建模飞行动态缩放自由飞行模型在支持 NASA 航空航天计划中的作用约瑟夫 · 钱伯斯 建模飞行动态缩放自由飞行模型在支持 NASA 航空航天计划中的作用约瑟夫 · R · 钱伯斯 国会图书馆在出版物中编目数据约瑟夫 · R · 钱伯斯模拟飞行 ： 动态缩放自由飞行模型在支持 NASA 航空航天计划中的作用 / 作者 ： 约瑟夫 · R · 钱伯斯。p. cm.“NASA SP 2009 - 575 ” 。包括书目参考和索引。1. 飞机 - 模型 - 美国 - 测试。 2. 风洞模型 - 美国 - 测试。 3. 航空 - 研究 - 美国 - 方法。 4. 美国。美国国家航空航天局。一。标题。TL567. M6C48 2010 629.101 '1 -- dc222009048942 TABLE OF CONTENTS3TABLE OF CONTENTS艾姆斯超高速自由搏击设施 29 4模拟飞行 TABLE OF CONTENTS5 6模拟飞行 IACKNOWLEDGEMENTS衷心感谢美国国家航空航天局 （ NASA ） 及其前身国家航空咨询委员会 （ NACA ） 的数十名现任和退休员工，他们在编写本专著时分享了宝贵的公司记忆和个人档案。试图记录和记录 80 多年的研究和发展活动的挑战极其艰巨，如果没有这些人的帮助和鼓励，这是不可能的。他们直接参与该项目确保了在 NASA 兰利研究中心，NASA Ames 研究中心，NASA Dryde 飞行研究中心和 NASA Wallops 飞行设施进行的一些最杰出的测试活动的保存和存档。特别感谢以下个人，他们为这项工作贡献了材料 ： Log P.Yip, Norma L.马克 · A · 克拉比尔Croom, Joh Sai, Doald B.Owes Kevi Cigham.Sue B. Grafton, Dan D. Vicroy, and Joseph L. Johnson, Jr.特别感谢 Athoy M.NASA 总部的 Spriger 为这项工作提供了鼓励和机制，并为 Parago TEC 的 Ly Bodrat 和 Dorothy Watis 协调了这项工作的准备和管理。苏 B.格拉夫顿和弗雷德里克 · JLallma 在 Lagley 和 Laa L. 提供了许多历史文件和照片的访问权限。Edward M. AlbaghSchillig 和 Jac Boyd 在 Ames 做出了贡献。还要感谢 Garlad Goger 和 Lagley 技术图书馆的工作人员在访问文档方面的帮助。照片档案保管员 Alicia Bagby 还提供了兰利收藏中照片的访问权限。兰利的图形专家 Gerald Lee Pollard 提供了他杰出的才能和材料。还要感谢 Langley 的 Mike Fremaux ， Ray Whipple （ 退休 ） 和 Don Riley （ 退休 ） ； Ames 的 Chuck Cornelison ； Dryden 的 Christian Gelzer ； NASA 总部的 Greg Finley 出色的编辑工作和建议 ； NASA 总部的 Janine Wise 提供了专业的布局和组织。ACKNOWLEDGEMENTSvii 此页面故意为空白 INTRODUCTION1TINTRODUCTION先进的分析和设计工具的开发不断加速航空工程的最新发展。在飞机和航天器的早期设计阶段，这些方法提供了对物理现象的基本理解，并使设计人员能够预测和分析新车辆的关键特征，包括控制或修改不满意行为的能力。例如, 极其强大的数字计算机硬件和软件的相对较新的出现和常规使用对设计能力和程序产生了重大影响。复杂的新气流测量和可视化系统使分析人员能够对先进风洞中模型表面内外的流场中的特性进行微观和宏观研究。可以在广泛的综合技术学科范围内以惊人的速度进行飞机最有效的几何形状的贸易研究，并且在车辆开发过程中使用先进的驾驶模拟器可以使最重要的操作部分 - 人类飞行员 - 对车辆对其预期任务的可接受性进行早期评估。知识的应用这些工具的贸易显着降低风险和重新设计，并提高市场和。新型航空航天飞行器的安全性。可以说，自飞行出现以来，更可行和更有价值的设计工具之一就是对亚尺度模型的测试。如本文所用, 术语 “模型 ” 是指在较大的全尺寸车辆的实验分析中使用的物理制品。读者可能知道，航空航天设计中也使用了许多其他形式的数学和基于计算机的模型 ； 但是，这些主题超出了本文档的预期范围。自最早的飞行以来，模型飞机一直是人类着迷，灵感和娱乐的源泉。在科学界，莱昂纳多 · 达 · 芬奇，乔治 · 凯利和莱特兄弟是早期航空先驱的例子，他们在科学努力中经常使用模型来理解和开发飞行器。与全球应用中的模型测试相关的技术进步已牢固地将模型飞机确立为新的航空航天研究和开发计划的关键要素。模型现在通常用于许多应用和角色，包括风洞调查中的空气动力学数据收集，以进行全面分析。 2模拟飞行飞机设计 ， 激进航空概念的概念验证演示器以及已在生产中的车辆的解决问题的练习。航空航天模型最重要的贡献是为新设计提供信心和降低风险 ， 并提高现有配置的安全性和效率。NASA 及其前身 NACA 80 多年来一直是航空航天模型测试技术的主要贡献者。实际上，NACA 和 NASA 研究的应用于航空航天飞行器的每个技术学科都使用了独特的专业模型，包括空气动力学，结构和材料，推进和飞行控制领域。这些模型已用于众多专业领域的研究工作，涉及空气动力学和流体动力阻力减小，高升力系统，大气阵风和着陆冲击引起的载荷，飞机开沟，缓冲，推进效率，配置集成，结冰效应，气动弹性以及稳定性和控制评估。在这些专业领域内，模型可以进一步分类为 “静态 ” 模型或“ 动态 ” 模型。飞机和航天器的静态风洞模型旨在提取高质量 ， 详细的空气动力学数据 ， 以便在指定的飞行条件下分析其全尺寸对应物。静态测试通常是通过将模型固定在内部安装的测力装置上进行的 ， 该装置称为电气应变计 ， 该装置位于转台安装到吊环支撑系统。模型及其支撑系统相对于风洞流的方向由设计员根据规定的空气动力学试验条件进行控制。静态实验的重点是获得针对空速，模型姿态和配置变量 （ 例如机翼襟翼或控制面偏转 ） 的组合的详细空气动力学指标。广泛的仪器用于测量关键的空气动力学参数, 其可以包括静态力和力矩。和动态压力行为 -ing 在模型的表面上 ， 边界层的状态 ， 以及表面上和离开表面的流动的可视化在这个代表性的传统静态风洞试验中 ， 2.7% 的比例模型波音 777 飞机安装在一个 stig 支持系统上，用于在 NASA 兰利研究中心的国家跨音速设施中以跨音速进行测试。该模型包含扩展仪器和内部安装的电子应变仪天平，用于测量空气动力学数据。在静态测试中，数据是由测试团队控制的空速，模型配置和模型姿态的特定固定组合。 INTRODUCTION3在 NASA Lagley 全尺寸隧道中进行了 X - 29 先进技术演示器的动态自由飞行模型测试，以确定配置的动态稳定性和控制特性。照片显示模型在高迎角飞行，而研究人员评估其行为。注意鸭嘴表面的大的机头向下偏转，这表明构型固有的静态不稳定性。主动控制使用来自机头吊杆上的迎角传感器的数据提供了人为的稳定性。的模型。此类模型的设计挑战包括提供足够的结构强度，尤其是适应高空速，高攻角遇到的大载荷 ，或侧滑 ； 保护模型及其数据源免受空气热载荷的影响 ； 在模型的相对较小的机身内提供稳健可靠的仪器 ； 设计模型组件和测试技术，以允许及时进行风洞操作，以获取模型或支持系统重新配置所需的最小 “死时间 ” 的数据。另一个设计问题是模型线所需的精度，并决定需要为模型复制哪些飞机特征。静态测试的结果用于分析或作为后续调查的输入，这些调查可能涉及其他测试技术和其他方法。注意, 静态测试不需要模型的动态运动或自由飞行能力。动态自由飞行模型调查扩展了常规静态测试的目标 ， 以包括车辆运动的影响。自由飞行测试的主要目标是评估配置的固有飞行运动及其对控制输入的响应。在完成此任务时 ， 用于 4模拟飞行NACA 和 NASA 已经使用动态模型超过 50 年来预测高度机动性军用飞机的自旋进入和自旋恢复行为。显示 F - 15 战斗机的模型安装在连接到直升机的发射台上，为无动力的 “降落 ” 测试做准备，在此期间，无动力的模型将由地面飞行员控制，以故意促进旋转。由于结果与随后的全尺寸飞机结果的广泛相关性，NASA 已经验证了其测试程序。自由飞行试验可经常用于传统的静态试验以及独特的风洞试验技术，以确定车辆运动对关键空气动力学参数的影响。自由飞行模型测试的结果可以通过响应于大气的强迫函数或飞行员的控制偏转的模型的运动来容易地观察。动态测试侧重于关键特性，例如在常规飞行包线内外的飞行过程中的稳定性，可控性和安全性。自由飞行模型的最关键应用包括对不存在经验基础的激进或非常规设计的评估，以及对飞行条件的飞机行为的分析，这些飞行条件不容易使用静态测试技术或先进的计算方法进行研究，因为复杂的空气动力学现象尚无法建模。此类条件的示例包括在高迎角飞行，失速和自旋，其中通常遇到分离的流，非线性空气动力学行为和大的动态运动。即使是对迄今为止在静态和动态模型测试中 NACA 和 NASA 研究的广度进行粗略检查 ， 也会发现大量的经验和技术远远超出预期 INTRODUCTION5本专著的范围。这里提供的材料的目的是为读者提供一些已经开发的更有趣的自由飞行模型试验技术的概述，以及测试在基础和应用研究中发挥的作用，以及支持国家一些更重要的民用和军用航空航天计划的发展。该材料还讨论了动态模型试验所需的专门设施和设备的开发。这些努力起源于 80 年前的第一个 NACA 实验室，即弗吉尼亚州汉普顿的兰利纪念航空实验室。NACA 引入的大多数原理和概念都在不断更新，现在已完全纳入 NASA 兰利研究中心的测试能力。除了兰利的开发工作和现有的运营能力外，本文还将讨论加利福尼亚州爱德华兹空军基地的 NASA Dryde 飞行研究中心，加利福尼亚州山景城的 NASA Ames 研究中心的动态自由飞行模型研究，以及弗吉尼亚州瓦洛普斯岛的 NASA 瓦洛普斯飞行设施。在这些 NASA 研究组织中，已经积累了多年使用亚尺度自由飞行模型的经验，并尽可能将其与全尺度飞机飞行测试的结果相关联，以确定模型测试的准确性和极限。自由飞行的动态缩放模型已经从简单的无动力的丝绸跨度覆盖的轻木复制品发展到具有先进材料 ， 推进单元 ， 控制系统和仪表的高度复杂的微型飞机。 X - 48B 混合机翼 - 机身配置的模型是动态模型技术当前最先进的典型。选择用于审查的材料涵盖两种主要类型的动态模型试验，称为动态自由飞行试验和动态力试验。自由飞行测试涉及测试技术，其中动力或无动力模型在风洞或室外测试范围内没有明显限制地飞行。模型可以是不受控制的, 或者由远程定位的人类飞行员控制。动态自由飞行模型的设计和构造符合所需的缩放法则，以确保模型与其全尺度对应物之间的动态运动相似。作为背景，简要介绍了动态模型的缩放程序。动态力测试是由 NACA 和 NASA 开发的特殊风洞测试技术，用于测量车辆运动对正常运行期间飞行条件和超出正常飞行包线的情况下的关键空气动力学数据的影响，例如旋转和失速后回转。已经实施了几种独特的测试设备，以允许在几种风洞设施中进行动态力测试。 6模拟飞行每个讨论主题的材料的组织包括有关动态模型在该感兴趣领域的目标和应用的简要背景 ， 为特定程序获得的独特结果以及如何在研究和开发过程中使用此类数据。主题首先回顾了自由飞行动态模型的特殊几何和质量缩放要求。还回顾了自由飞行技术的局限性。然后，讨论对 NACA 和 NASA 的自由飞行技术发展历史进行了回顾，包括对关键设施的物理特性，所使用的模型以及测试方法的影响。本书的主要部分侧重于技术在一般研究的通用配置以及特定的飞机和航天器配置中的应用。还回顾了重要的经验教训。简要回顾了通常伴随自由