[發明專利]臨近空間飛行器模型的結構形態感知重構實驗平臺及方法

有效

• 申請號: 201110033276.6
• 申請日: 2011-01-31
• 公開（公告）號: CN102346090A
• 公開（公告）日: 2012-02-08
• 發明（設計）人: 朱曉錦;易金聰;張合生;孫冰;蔣麗娜;高志遠;黃全振
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01M99/00;G01B11/16;G01B11/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種光纖光柵機敏結構形態感知重構與可視化的實驗平臺與方法，尤其針對一種臨近空間飛行器模型的結構形態感知重構實驗平臺和方法。

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背景技術

臨近空間是指距地面20km～100?km的空域，它橫跨平流層、中間層和部分熱層，而臨近空間飛行器特指能在該空域作持續飛行并完成一定使命的飛行器。就飛行方式和原理而言，臨近空間飛行器主要包括平流層飛艇、平流層高空氣球、平流層半可控浮空器、太陽能平流層飛機、平流層無人機和高超音速飛行器(HCV)等。其中，高超聲速飛行器一般是指飛行速度在5?Ma?以上，使用吸氣式超燃沖壓發動機作為推進動力的臨近空間飛行器，可以實現高速長距離持續飛行，是人們實現“空天往返”和追求“全球即時到達”理想目標的一種較為現實的選擇。在軍事上可用于情報搜集、通信保障、偵察監控，武器裝備系統的遠程戰略投送，對于增強陸、海、空、天的武器裝備無縫連接，擴展信息優勢，提高聯合作戰能力，具有十分重要的應用潛力。在民用方面主要可用于環境變化和氣象數據探測，交通及環境污染監控，洪水、火災或地震等災害監視和指揮救援，局域通信，數據傳輸中繼，移動通信等，以及發展成為未來超高速空中交通運輸平臺。所以，高超聲速飛行器的研究對軍事戰略與和平利用空間具有重大意義，它已成為目前國際航空航天領域的研究熱點；目前最具代表性的研究為美國的高超聲速飛行器試驗（Hyper?-X）計劃，高超聲速技術（HyTech）計劃和高超聲速飛行（HyFly）計劃。

高超聲速飛行器由于采用輕質材料，在高超聲速、高速流場和高機動條件下飛行時，極易受到高速流場作用和擾動激勵；各種復雜的力學過程不可能完全精確地考慮到飛行器控制模型中，飛行過程中往往又會受到各種事先無法完全預知的擾動，這些因素的共同作用極易使得飛行器產生結構變形，以及發生結構彈性振動；較低的振動變形模態頻率與飛行器短周期運動頻率的接近，不僅會加劇低頻變形，同時在氣動彈性系統處于不穩定狀態下可能產生嚴重的低頻顫振，對飛行器結構具有巨大作用性和重大破壞性。因此針對飛行器重要結構進行低頻大幅振動響應的主動監測，不僅可以使飛行操作人員或地面監測人員實時了解當前飛行器的結構安全與健康運行狀態，而且可以基于結構振動形態感知實施振動主動控制，以消除或抑制當前飛行器結構的危險振動狀態。

高超聲速飛行器涉及到的關鍵技術包括推進技術、材料技術、空氣動力學技術、飛行控制技術和研發、試驗和評估的一體化等。為了研制出滿足設計要求的高超聲速飛行器，前期基礎性的理論方法、相關技術和實驗分析等研究過程必不可少，同時工程研制還必須一體化地運用模擬和仿真、地面試驗和飛行試驗等手段。有鑒于此，本發明提出一種臨近空間飛行器模型的結構形態感知重構實驗平臺與方法，結合國內外臨近空間超高音速飛行器的研究現狀，設計類似飛行器框架實驗模型；研究與制作分布式光纖光柵傳感陣列及其模塊化檢測單元，并基于非視覺傳感方法將光纖光柵傳感陣列正交分布式植入到實驗模型縱向框架結構，以及表面分布式植入到實驗模型的水平尾翼，通過獲取結構變形的分布傳感曲率信息并經三維空間圖形擬合重構方法，得以在計算機上重建機體結構形狀并實現結構形變和振動狀態可視化，從而實現整體實驗模型的結構形態變化和低頻振動狀況的主動監測。

發明內容

本發明目的是提供一種臨近空間飛行器模型的結構形態感知重構實驗平臺與方法，可以對基于光纖光柵傳感陣列的實驗模型的結構形態變化感知與重構，以及進行可視化顯示的方法和技術提供實驗驗證手段，并為探索飛行器結構形態變化主動監測技術方法的進一步實際應用提供基礎研究支撐。

為達到上述目的，本發明的構思是：結合國內外臨近空間超高音速飛行器的研究現狀，設計類似飛行器框架實驗模型，并在模型框架的縱向龍骨和水平機翼中分布式地植入布拉格光纖光柵傳感陣列。當實驗模型發生靜態變形或低頻振動時，通過布拉格光纖光柵傳感陣列檢測出各分布光柵測點的應變信息，然后轉化為各分布測點的離散曲率信息，利用基于正交曲率的空間形態擬合與重構算法，并結合計算機圖形處理技術，在計算機屏幕上對實驗模型的結構變形或低頻振動狀況進行重建，進而實現實驗模型的結構形變或振動形態實時可視化顯示。

根據上述發明構思，本發明采用如下的技術方案和方法：