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风洞试验设备是一个国家航空航天事业发展的基础设施 ,对国家的航空航天事业、武器装备研制以及国民经济的发展发挥着非常重要的作用，风洞试验是飞行器设计的一个重要组成环节,依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或机构固定在人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。每一种新型飞行器的研制都需要利用风洞实验机械模型，在风洞中进行大量的试验。飞行器要进行风洞试验离不开风洞模型支撑，风洞模型支撑主要有硬式支撑［1］、磁悬浮支撑、绳牵引并联机构支撑［2］等。磁悬浮支撑系统复杂，成本高，绳牵引并联支撑系统的稳定性不高，其试验研究处于起步阶段，而经过长期的理论发展与实践验证，硬式支撑系统的理论体系已趋近于成熟，因而在风洞试验中得到广泛的应用。通常在进行机构动力学仿真时，所建立的模型构件为刚性构件，在作运动分析时不会发生弹性变形。本文通过对两自由度风洞试验运动装置机械结构设计提供基础研究，为风洞实验的动态实验提供了一种技术手段。
尽管飞行试验技术日益发展,风洞试验在航空航天飞行器发展早期研制阶段的重要性有所减弱,但在开发新型飞行器和概念飞行器,以及在现有飞行器型号的基础上进行改进,如无人作战飞行器、军用航天飞机等概念研究与改进时仍发挥着重要作用。随着信息技术的发展,应用现代信息技术实施风洞试验现场与异地的风洞试验数据使用单位的风洞远程试验协同,把风洞试验现场的试验过程、试验数据、分析结果实时传输到风洞试验数据的使用单位,并实现实时的语音、视频交流,缩短时间与空间的距离,增强人与人的沟通,提高试验与分析的效率,对提高试验能力,提高风洞试验数据使用水平,减少试验成本,提高试验效率具有重大意义。
在远程试验方面,美国近年来已建立了 “航天局发展中的具有智能系统的革命化航空风洞 ”(Developmental Aeronautics Revolutionizing Wind Tunnel Systems ofNASA: DARWIN) ［3］,通过远程网络系统把NASA每个研究中心的风洞设备和计算设备与波音公司、麦道公司等工业部门联系起来,这样气动力数据和相关信息可以更快、更省、更好地提供给工业部门和研究人员。2007年美国建立的“远程风洞控制室”,把空军Arnold工程发展中心(AEDC)风洞中进行的军机外挂投放发射系统复杂试验的音、视频和数据实时送到Eglin空军基地AEDC数据显示间(AEDC Data Display Room, ADDR)。美国空军可根据试验现场及测得数据,经过远程实时讨论,及时更换外挂物和确定外挂位置,从而具备了在Eglin空军基地远程监控和支持Arnold工程发展中心进行较为机密的外挂物投放发射风洞试验的能力。
2003年座落在意大利航空航天中心(CIRA)的1号校准风洞(CT1)实验室为地理位置上分散的用户和不具备试验设备资源的用户实现了一种远程访问演示系统,能够远程访问实验室设备,并能够进行实时试验。通过该系统的网络和多媒体技术,可与相关网站进行链接,用户不必到试验现场就可在远程实验室进行实时试验［4］。
远程协同技术方面,国际上大的跨国公司和设计部门均采用的分布式的协同工作方式,通过计算机网络和任务调度安排软件,以及实时的语音视频通信、电子白板、及时视频会议实现把工作人员跨地域的合作,提高了工作效率［5］。在协同工作环境下,每个参与人员能够及时了解当前的工作任务,也有利于管理者及时知道任务完成情况,把握全局。每个成员能清楚知道任务的目标,其他成员也能得到其他参与人的工作反馈,有利于任务执行人及时、高效完成任务。
远程试验方面,相对于世界发达国家,我国空气动力设施远程共享起步较晚,但国内相关部门在信息化提高效率方面也做了卓有成效的实践。2005年,中国航空工业空气动力研究院启动了 MISS‘W系统(Management Information Smart Systemfor Wind tunnels),是为造时在建的FL-9生产型低速增压风洞而开发的,是一种针对航空生产型风洞的通用性数字信息解决方案［5］。该系统功能设计包括风洞资源管理、试验质量控制、试验过程控制、故障诊断、权限控制5个功能模块以及图片操作、文献操作2个底层支持模块。该系统为基于B/S (Browser/Client)模式的三层系统体系结构。MISS.W系统于2007年投入运行,采用Web Service技术和工作流技术,能够使用户实现对风洞资源、试验过程和试验数据等信息的控制。MISS-W系统首次在国内风洞领域的应用Web Service技术和工作流技术,在增强风洞管理的控制能力的同时,有效提高了风洞运转的效率和科研人员数据利用能力。MISS.W系统成功解决了风洞试验信息不完整、风洞试验岗位分布零散、风洞试验管理困难、试验数据使用不便、试验结果难以共享等问题,为未来风洞远程试验、智能管理、多试验手段数据融合处理和分析奠定了坚实的技术基础［6］。
我国大型客机研制在中断20多年后又重新启动,国家在上海建立了大型客机研制中心,国内各飞机制造公司和飞机设计所,如西安飞机公司、沈阳飞机公司、成都飞机公司、611所等均参与其中,飞机远程协同设计逐步建立起来。处于异地设计图纸能直接到飞机制造车间的数控机床,实现了设计到制造的无缝连接。但大型客机研制单位到风洞试验单位的远程试验协同还未见有报道。气动中心作为国内最大的风洞试验研究机构做过相关尝试,取得了一些经验,但也未正式建立风洞试验远程协同系统。风洞试验还是原有的模式,型号单位带试验模型来气动中心,从试验准备到风洞试验,再到出试验报告均吃住在气动中心,效率低下,费用高。
远程协同技术方面,我国近几年的研究内容很广泛［8-14］。远程协同系统是利用通信网络把远程音视频实时交互系统、电子白板共享系统、远程控制系统等多种系统整合在一起,利用现代通信技术和计算机技术把多个区域的设计人员、办公人员联系在一起,突破地域的限制,为设计、工程建设参与者和管理者远程提供一个信息化的、高效的、现代化的沟通手段。为处于异地的参与人员提供一个协同工作的公共平台,以便充分利用两地资源,提高工作效率,避免过多的人员集中到工作现场,有利于管理人员及时掌握工作进度,加强设计和工程建设的管理和协调。
应用远程协同技术,国内多家单位建立了远程协同设计［8］、远程协同测试和故障诊断［9-12］远程协同医疗［13］、远程协同教学［14］等方面得到很好的应用。
在远程协同设计方面,西安交通大学的江平宇探讨了基于Web方式和Java方案的新一代远程协同产品设计的系统结构及实现,为便于协同设计,提出了--种基于浏览器/服务器/数据库三层集群结构的CAD协同设计模式,提高了 CAD设计的效率［7］。
在远程协同测试和故障诊断方面,上海大学的吴晓峰研制了基于网络的远程监控与故障诊断系统,对各类生产线自动控制系统进行异地监控和远程维护,提高了人维护水平和效率,降低故障率,为企业的ERP和MES的提供了良好的基础平台,极高的实际应用价值［9］。
在远程协同教学方面,浙江工业大学的李伟提出了基于CSCW和FMS的远程协同教学平台,探讨了虚拟教室的协同教学工作模型,利用实时视频、语音和多Agent技术,远程互动教学平台,取得很好的应用效果［15］.
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