2.4m 跨声速风洞连续变迎角试验关键技术研究

谢 艳，李 平，蒋 鸿，王瑞波，薛江平

( 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

0 引 言

目前，我国的高速风洞多为暂冲式风洞，因受风洞运行时间、流场调节能力、数据精细化处理等方面的限制只能采用阶梯测力试验方式，试验得到的数据点稀疏，难以准确描述气动试验曲线细节特征。而连续变迎角测力试验技术可有效改善上述现象［1］。

连续变迎角测力试验技术最初是在国外连续式风洞发展起来的试验技术，它获得的测力试验结果具有试验信息丰富、气动特性曲线光滑连续、操稳特性评估精确度高、关键气动力参数判读精准等显著优点［2］。由于连续式风洞和低速风洞运行时间长，模型迎角可以慢速运动，所以实现连续变迎角试验有其先天优势，目前在国内低速风洞中已经得到有效应用［3-5］。在暂冲式高速风洞中，因受风洞运行时间的限制，连续变迎角的迎角运行速度要达到1°/s 左右，这样就会产生如下几个关键性的问题：(1) 模型运动对流场的扰动大，流场快速精确补偿难； ( 2) 试验信号中高频成分增加，与干扰信号的频率界线模糊，数据降噪处理困难；(3) 信号间微小的不同步会随迎角运行速度的增加而加剧影响试验数据的准度。

为充分发挥2.4m 跨声速风洞的优势，开展了大型暂冲式跨声速风洞连续变迎角试验技术研究，较好解决了上述的几个关键性难题，建立了2.4m 跨声速风洞连续变迎角测力试验技术。下面详细介绍针对这几个关键问题的研究。

1 风洞流场的快速跟随补偿

2.4m 跨声速风洞由于采用多变量控制策略，系统间解耦困难，阶梯测力时，仅能满足阶梯采集时刻流场处于稳定状态的要求［6］。连续变迎角测力试验时，由于迎角持续运动，不间断地扰动流场，又要求流场必须时刻保持在稳定状态，所以原有控制系统就显得能力不足，致使连续变迎角初次调试时，Ma 数超差0.011。因此对风洞流场控制环路等进行了优化改进［7］，提高了连续变迎角测力试验时Ma 数控制的精准度。

1.1 总静压滤波器的优化

风洞总静压的实时精确测量是保证精准控制Ma数的前提。为了保证总静压测量的精确可靠，通常会对总静压信号进行低通滤波处理。滤波截止频率过低，总静压信号会滞后失真，引起流场调节反应迟钝；滤波截止频率过高，信号中会叠加高频干扰信号，引起流场误调节，反而扰乱流场。因此总静压滤波的最优化是首先要解决的问题［8］。

通过多种测试和分析，选定2.4m 风洞总静压最优滤波截止频率的区间为1Hz ～10Hz。同时考虑到风洞控制参数的适应性，优化改进是采取循序渐进逐步靠近最优滤波截止频率的方法进行的。即首先将总静压滤波截止频率由最先的0.7Hz 改进为1Hz，待风洞控制参数适应后，再逐步将1Hz 改为2Hz，2Hz改为3Hz。改进前后的Ma 数对比见图1。结果表明总静压滤波的优化改进明显改善了控制系统对流场扰动的控制能力。

图1 滤波截止频率优化改进的效果Fig.1 Effects of optimizing cutoff frequency of filter

1.2 栅指PID 参数优化

2.4m 跨声速风洞总静压的控制是多个独立的控制环路完成，主要是总压控制环路、栅指( 当Ma 数≤0.9 时使用) 控制环路、驻室抽气( 当Ma 数＞0.9 时使用) 控制环路。

对风洞试验数据进行分析后，可得知静压控制精度是影响Ma 数的关键性因素。另外，从静压与迎角相关分析中，可明显看出模型迎角变化带给静压的扰动。因此采用进一步优化栅指PID 参数，强化PID 调节效果，加速Ma 数的收敛。图2 显示优化PID 参数中的KI( 积分补偿系数) 的效果。PID 调节参数优化，加速了流场Ma 的收敛和稳定。

图2 栅指PID 中KI 优化的效果Fig.2 Effects of optimizing KI parameter of PID for choke finger control

1.3 驻室抽气系统的前馈补偿

2.4m 跨声速风洞在Ma 高于0.9 时采用驻室抽气调节Ma 数，但是因2.4m 风洞大驻室压力的变化也需要时间，致使此环路的调节滞后较多，从而造成Ma 数的波动较大。

采用在原驻室抽气PID 调节的基础上，增加适量的前馈补偿。具体做法是：当检测到Ma 数接近误差带的上下边缘时，在驻室抽气系统的反馈量中增加适量前馈补偿，使驻室抽气机构提前快速运动，将Ma数拉回给定值。

图3 驻室抽气的前馈补偿效果Fig. 3 Effects of feedforward compensation for air exhaust of plenum chamber

在驻室抽气环路中增加的前馈补偿，有效改善了驻室抽气调节响应滞后的问题，保证了连续变迎角测力试验Ma 数的快速精准控制。

2 连续变迎角试验数据的滤波降噪处理

2.1 阶梯、连续测力试验信号的频谱分析

对于阶梯测力试验方式，每个阶梯稳定时，流场、迎角均是稳定的，此状态下试验信号趋于恒定值，信号能量集中在0Hz 处，换句话说，就是非0Hz 处的信号都是干扰信号。因此，此状态下滤波处理相对容易。对于连续变迎角测力试验，流场稳定后迎角持续匀速运动，并同步采集，此状态下试验信号是一种渐变的信号，所以信号能量会根据迎角变化的快慢分布在一段较宽或者较窄的频带中。虽然信号的主要能量仍然集中在低频段，但高频段或多或少分布着有用信号。所以在高频段，其少量的有用信号与干扰信号交织叠加在一起，导致连续变迎角测力试验数据的滤波降噪处理困难：一是滤波截止频率的选取困难；二是在信号和干扰交织的频段，滤波无法分辨信号和干扰［9］。

2.2 连续变迎角试验数据滤波降噪策略

针对连续变迎角试验信号频谱分析的结果，制定下述的滤波降噪策略。第一步： 硬件滤波，采用较高频率( f ≧6Hz) 的硬件滤波先对数据进行滤波处理；第二步：软件滤波，通过可逆的软件滤波精选出较佳的软件滤波参数，用精选出的滤波参数对数据再进行软件滤波处理； 第三步，小波降噪，对残留在高频段的干扰信号进行小波降噪处理。

采用此滤波降噪策略较好的解决了连续变迎角试验数据的滤波降噪问题。

3 试验数据的同步处理

3.1 数据不同步的影响分析

测力试验时，模型姿态角通常由角度传感器测得，而气动力和力矩则由天平测量得到。由于角度传感器和天平的响应特性不同，所以信号之间存在小量(0 ～0.05s 左右) 的时序差。对于阶梯测力，阶梯稳定时间远大于此时序差，因此对试验数据毫无影响。而迎角运行速度较快的连续变迎角试验使信号之间时序差的影响凸显出来，从而使得连续变迎角测力试验数据发生迎角的平移现象。

3.2 不同步量的精确测量及同步修正

为精确求出信号之间的时序差，创新引用互相关函数解决此难题。

互相关函数的原理：假设两个平稳随机信号的时间历程为x(t)、y(t)，则两个信号的互相关函数Rxy(τ)为：

根据互相关函数的性质，假定x( t) 是系统的输入信号，而y( t) 是系统的输出信号，则互相关函数Rxy( τ) 最高峰处的τ 就是该系统的滞后时间［10-11］。

下面以天平升力元信号Y( t) 和模型迎角传感器信号α( t) 为例具体说明此原理和方法。由气动知识可知Y( t) 是α( t) 的函数，且在小角度范围内Y( t) 近似是α( t) 的线性函数，可将α( t) 看作系统的输入，而将Y( t) 看作系统的输出，因此当α 为最大值时，Y元也应该为最大值； 当α 为最小值时，Y 元也应该为最小值。假如这两个信号之间存在不同步，则Y 元的最大值就不会对应α 的最大值。此时，利用互相关函数的性质及特点，求互相关函数：

互相关函数RαY( τ) 最高峰处的τ，就是天平升力元Y( t) 对迎角α( t) 的精确延迟时差。以此类推计算出天平其它元和迎角传感器之间的延迟时差。

在精确求出天平各元信号与迎角传感器信号的延迟时差后，再以迎角传感器信号的时序为标准时序，对原始数据进行时序对齐修正，得到完全同步的原始数据。

应用互相关函数，可精确计算出风洞试验中各信号之间的时序差，并据此对数据进行同步修正，从而保证了连续变迎角测力试验数据的准确性。

4 标模验证情况

解决了上述的关键问题后，在2.4m 跨声速风洞建立了连续变迎角测力试验技术。并先后使用J7、Ty-154 等多个模型进行了验证试验，验证结果如下：

(1) 连续变迎角试验，Ma 数控制的精准度达到了±0.002( M=0.3 ～0.9) ( 见图4) ；

(2) 连续变迎角试验数据的准度与阶梯测力数据的准度相当，连续与阶梯气动系数差量已进入测量的正常误差带范围( 见图5) 。具体的差量为： 纵向：|ΔCL|≤0.003，|ΔCm|≤0.0002 和|ΔCD|≤0.0003；横向：|ΔCY|≤0.0003，|ΔCl|≤0.0001 和|ΔCn|≤0.0002；

( 3) 连续变迎角测力试验数据的精度在迎角±4°范围内与阶梯测力的精度相当，而在迎角4° ～20°范围，连续变迎角试验数据的精度优于阶梯测力试验的精度( 见图6) ；

(4) 模型的匀速运动可有效减小模型的振动，从而提高数据的精度和试验的安全性；

(5) 连续变迎角测力比阶梯测力节约约16%的风洞试验时间。

图4 连续变迎角试验Ma 数精准度情况Fig.4 Accuracy of Ma for continuous sweeping test

图5 连续变迎角数据与阶梯数据对比情况Fig.5 Accuracy comparison of continuous pitch-pause( step) test

图6 连续变迎角数据与阶梯数据的精度比较情况Fig.6 Precision comparison of continuous pitch-pause( step) test

5 结 论

以2.4m 跨声速风洞为研究平台，解决了实现连续变迎角试验技术中的Ma 数快速跟随、数据降噪处理、信号精确同步等几个关键性的技术难题，建立了工程实用的暂冲式高速风洞的连续变迎角测力试验技术，既提高了试验数据的数质量，又提高了试验的效率和安全性。

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