一種風(fēng)洞分離模擬實驗系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明風(fēng)洞分離模擬實驗系統(tǒng)屬于風(fēng)洞實驗【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種適用于風(fēng)洞環(huán)境中外載物模型分離過程測量的模擬實驗系統(tǒng)。該模擬實驗系統(tǒng)采用爆炸螺栓與機械同心滑軌裝置配合，通過助投器施加作用力完成外載物與母機分離，高速視覺裝置對分離過程進行測量。本發(fā)明采用爆炸螺栓與機械同心滑軌裝置配合確保風(fēng)洞分離體模型分離系統(tǒng)安全可靠，具有較高的承載能力與快速觸發(fā)能力，并引入助投器對模型施加可調(diào)的投放力，對風(fēng)洞分離模型分離初始角度、分離角度、分離速度與分離角速度進行控制，保證了分離模型分離過程與真機分離過程的高度一致，雙目高速視覺裝置具有精度高、頻響高等特點滿足分離全程參數(shù)測量需求。
【專利說明】一種風(fēng)洞分離模擬實驗系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)洞實驗【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種適用于風(fēng)洞環(huán)境中外載物模型分離過程測量的模擬實驗系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]飛行器在高速飛行，存在多體干擾現(xiàn)象，即外載物或負(fù)載物與載機間的相互氣動干擾。在特定情況下，外載物或負(fù)載物需與載機分離，由于它們彼此非?？拷?，高速飛行時，分離時間極短，各分離體間相對運動產(chǎn)生急劇變化，氣動力間耦合將更加劇烈，極易引起分離體間的運動干涉發(fā)生碰撞，造成嚴(yán)重后果。因此在設(shè)計過程中進行風(fēng)洞模擬分離試驗對分離過程進行測量是保證飛行器安全的必要步驟，其中分離模擬實驗系統(tǒng)能否模擬真實分離狀態(tài)并對分離過程進行有效測量是風(fēng)洞模擬分離實驗可信度的重要依據(jù)。在風(fēng)洞復(fù)雜環(huán)境下，由于模型縮比、尺寸以及系統(tǒng)響應(yīng)時間等限制因素，如何進行高度模擬風(fēng)洞分離實驗仍是需要解決的主要難題。
[0003]目前，對于風(fēng)洞分離模擬實驗系統(tǒng)的研究相對較少，多為投放分離裝置的研究，Rudy A.Johnson, Michael J.Stanek 等人在 2008 年 AIAA 第 46 次會議中發(fā)表的《StoreSeparat1n Trajectory Deviat1ns Due to Unsteady Weapons Bay Aerodynamics》中提出了利用雙彈簧加載的分離方案，Nathan E M, Bernard J J，Li C G等人在2009年AIAA第47次會議中發(fā)表的《Measurement of store separat1n dynamics》提出了一種依靠雙氣缸加載的分離方案。這兩種方案均能成功分離外載物，但很難應(yīng)用于目前對分離過程有嚴(yán)格要求的分離場合，并不具有對分離過程進行測量的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種風(fēng)洞分離模擬實驗系統(tǒng)，采用爆炸螺栓與機械同心滑軌裝置配合，通過助投器施加作用力完成外載物與母機分離，高速視覺裝置對分離過程進行測量。采用爆炸螺栓作為緊固構(gòu)件，具有較高的力學(xué)性能與可靠性，保證分離系統(tǒng)安全可靠，助投器配合機械同心滑軌裝置可在承受大馬赫數(shù)恒風(fēng)載的情況下控制分離體分離參數(shù)，高速視覺裝置頻響高使得分離實驗實時可測。本分離系統(tǒng)具有高可靠性、魯棒性，并可控制分離初始角度、分離角度、分離速度、分離角速度等分離過程參數(shù)，具有分離時與分離后全程可測的能力。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種風(fēng)洞分離模擬實驗方法，其特征是，該方法由分離模擬實驗準(zhǔn)備、模擬分離動作及測量設(shè)備觸發(fā)過程、進行高速視覺測量三部分組成；方法的具體步驟如下:
[0006](I)分離模擬實驗準(zhǔn)備
[0007]模擬分離動作采用爆炸螺栓與機械同心滑軌裝置共同作用緊固分離體模型，機械同心滑軌裝置3分為安裝于分離體模型2上的強化限位同心滑塊7以及固定于分離懸掛架10上的同心滑道8，滑塊滑道配合允許分離體模型沿滑道方向運動，分離體通過機械同心滑軌裝置安裝，并通過爆炸螺栓固定位置調(diào)整分離物安裝角度；根據(jù)實驗分離角度、分離角速度與分離速度要求調(diào)整助投器給分離體模型施加不同投放力使模型在滑道加速后達(dá)到規(guī)定分離要求；
[0008](2)模擬分離動作及測量設(shè)備觸發(fā)
[0009]模擬分離設(shè)備各部件動作順序為:A)打開助投器4氣源通過助投氣缸11給分離體施加預(yù)投力；B)爆炸螺栓I接收觸發(fā)信號引爆，解除分離體運動限制；雙目高速視覺攝像機6與爆炸螺栓I同步接收觸發(fā)信號開始分離過程拍攝；C)在助投力作用下，分離體開始沿機械同心滑軌裝置滑道加速運動；D)當(dāng)機械同心滑軌裝置3相對運動達(dá)到設(shè)定分離位置，分離體從設(shè)備中完全分離；E)雙目高速視覺攝像機6完成全過程拍攝后，關(guān)閉拍攝功倉泛;
[0010](3)雙目高速視覺測量
[0011 ] 采用雙目高速視覺測量方式對分離體分離全過程運動參數(shù)進行測量；采用已標(biāo)定好的雙目高速攝像機視覺，已知雙目攝像機內(nèi)、外參數(shù)；然后進行分離體特征標(biāo)記的運動全程拍攝，獲得分離體特征標(biāo)記運動圖像；對特征標(biāo)記圖像進行處理，分割分離體特征標(biāo)記信息，提取其標(biāo)記相面坐標(biāo)，進行左、右高速攝像機對應(yīng)標(biāo)記匹配，重建出標(biāo)記三維坐標(biāo)，根據(jù)各標(biāo)記三維坐標(biāo)以及各特征標(biāo)記位于分離體位置信息，得到分離體分離運動全程位姿信息以及速度、加速度等運動參數(shù)。
[0012]分別建立風(fēng)洞坐標(biāo)系及分離物坐標(biāo)系，根據(jù)兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系求解分離體運動位姿信息，按實驗要求建立風(fēng)洞坐標(biāo)系OwXwYwZw與分離體坐標(biāo)系OtXtYtZt ;定義分離體重心為分離體坐標(biāo)系原點，其風(fēng)洞坐標(biāo)系下坐標(biāo)(Xt) Yo Ztl)為分離體位置參數(shù)；利用以下公式計算兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換矩陣Rwt:

【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)洞分離模擬實驗方法，其特征是，該方法由分離模擬實驗準(zhǔn)備、模擬分離動作及測量設(shè)備觸發(fā)過程、進行高速視覺測量三部分組成；方法的具體步驟如下: (1)分離模擬實驗準(zhǔn)備 模擬分離動作采用爆炸螺栓與機械同心滑軌裝置共同作用緊固分離體模型，機械同心滑軌裝置(3)分為安裝于分離體模型(2)上的強化限位同心滑塊(7)以及固定于分離懸掛架(10)上的同心滑道(8)，滑塊滑道配合允許分離體模型沿滑道方向運動，分離體通過機械同心滑軌裝置安裝，并通過爆炸螺栓固定位置調(diào)整分離物安裝角度；根據(jù)實驗分離角度、分離角速度與分離速度要求調(diào)整助投器給分離體模型施加不同投放力使模型在滑道加速后達(dá)到規(guī)定分離要求； (2)模擬分離動作及測量設(shè)備觸發(fā) 模擬分離設(shè)備各部件動作順序為:A)打開助投氣缸(11)氣體通過助投器(4)給分離體施加預(yù)投力；B)爆炸螺栓(I)接收觸發(fā)信號引爆，解除分離體運動限制；雙目高速視覺攝像機(6)與爆炸螺栓(I)同步接收觸發(fā)信號開始分離過程拍攝；C)在助投力作用下，分離體開始沿機械同心滑軌裝置滑道加速運動；D)當(dāng)機械同心滑軌裝置(3)相對運動達(dá)到設(shè)定分離位置，分離體從設(shè)備中完全分離；E)雙目高速視覺攝像機(6)完成全過程拍攝后，關(guān)閉拍攝功能； (3)雙目高速視覺測量 采用雙目高速視覺測量方式對分離體分離全過程運動參數(shù)進行測量；采用已標(biāo)定好的雙目高速攝像機視覺，已知雙目攝像機內(nèi)、外參數(shù)；然后進行分離體特征標(biāo)記的運動全程拍攝，獲得分離體特征標(biāo)記運動圖像；對特征標(biāo)記圖像進行處理，分割分離體特征標(biāo)記信息，提取其標(biāo)記相面坐標(biāo)，進行左、右高速攝像機對應(yīng)標(biāo)記匹配，重建出標(biāo)記三維坐標(biāo)，根據(jù)各標(biāo)記三維坐標(biāo)以及各特征標(biāo)記位于分離體位置信息，得到分離體分離運動全程位姿信息以及速度、加速度等運動參數(shù)。 分別建立風(fēng)洞坐標(biāo)系及分離物坐標(biāo)系，根據(jù)兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換關(guān)系求解分離體運動位姿信息，按實驗要求建立風(fēng)洞坐標(biāo)系OwXwYwZw與分離體坐標(biāo)系OtXtYtZt ;定義分離體重心為分離體坐標(biāo)系原點，其風(fēng)洞坐標(biāo)系下坐標(biāo)(? y0 Ztl)為分離體位置參數(shù)；利用以下公式計算兩坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換矩陣Rwt:
其中，(Xt yt Zt)τ為特征標(biāo)記在分離體坐標(biāo)系下坐標(biāo)，(Xp yp ζρ)τ為特征標(biāo)記在風(fēng)洞坐標(biāo)系下坐標(biāo)，將轉(zhuǎn)換矩陣Rwt分解便可就得分離體姿態(tài)信息:
如上式所示，-θ Z，- θ χ，- θ Y分別為分離體相對于風(fēng)洞坐標(biāo)系的偏航角，俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
2.如權(quán)利要求1所述一種風(fēng)洞分離模擬實驗方法，其特征是，該方法采用的系統(tǒng)由爆炸螺栓(I)、分離體模型(2)、機械同心滑軌裝置(3)、助投器(4)、工控機(5)、雙目高速視覺攝像機￠)、強化限位同心滑塊(7)、同心滑道(8)、強化限位塊(9)、分離懸掛架(10)、助投氣缸(11)組成； 在機械同心滑軌裝置(3)中，安裝在分離體模型(2)上的強化限位同心滑塊(7)具有兩個強化限位塊(9)，兩個強化限位塊(9)分別插入同心滑道(8)的對應(yīng)上、下限位槽(a、b)內(nèi)，同心滑道(8)安裝在分離懸掛架(10)的右端；分離懸掛架(10)通過爆炸螺栓(I)安裝在分離體模型(2)上，助投器(4)的氣管與安裝在分離懸掛架(10)上的助投氣缸(11)相連。
【文檔編號】G01M9/04GK104180965SQ201410443874
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】劉巍, 尚志亮, 賈振元, 馬鑫, 李肖, 王爭取, 魯文博 申請人:大連理工大學(xué)