基于风洞试验的一种杆件气动-飞控特性评估

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32934

流体力学与飞行力学

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基于风洞试验的一种杆件气动-飞控特性评估

郭天豪¹, 张磊², 段雪峰¹, 刘志涛¹(), 刘钒³, 朱任宇¹

^1.中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所，绵阳 621000
^2.军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071
^3.中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳 621000

收稿日期:2025-10-17 修回日期:2025-11-03 接受日期:2026-01-04 出版日期:2026-01-20 发布日期:2026-01-19
通讯作者: 刘志涛 E-mail:lztustc@163.com

Aerodynamic and flight control characteristics evaluation of a flying boom based on wind tunnel tests

Tianhao GUO¹, Lei ZHANG², Xuefeng DUAN¹, Zhitao LIU¹(), Fan LIU³, Renyu ZHU¹

^1.Low Speed Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China
^2.Defense Innovation Institute，Academy of Military Science，Beijing 100071，China
^3.Computational Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2025-10-17 Revised:2025-11-03 Accepted:2026-01-04 Online:2026-01-20 Published:2026-01-19
Contact: Zhitao LIU E-mail:lztustc@163.com

摘要/Abstract

摘要：

多飞行器通过杆件实现物资传输技术具有广泛的应用场景，如双机间物资转运、空中故障飞行器紧急维修、小型飞行器回收等。杆件优良的气动、操纵特性是满足高精度对接、稳定传输的重要前提。针对一种带操纵面的细长杆件，综合采用风洞试验与数值模拟方法，系统研究了其气动特性、飞控特性。通过风洞测力试验获取了杆件在不同状态下的气动参数、操纵面效率数据；基于浮动坐标系理论建立杆件动力学模型对其动稳定性进行了评估，在此基础上设计了杆件飞行控制律；通过风洞飞行试验验证杆件的开/闭环操控特性，并采用数值模拟方法分析了典型工况下雷诺数、马赫数对杆件气动特性的影响规律，评估结果验证了风洞试验结论在工程应用的可行性。

关键词: 对接杆件, 气动特性, 操纵特性, 风洞试验, 飞行试验

Abstract:

The technology of material transportation between multiple aircraft via a connecting flying boom has broad application scenarios， such as material transfer between two aircraft， emergency repair of faulty aircraft in flight， and recovery of small unmanned aerial vehicles. The excellent aerodynamic and control characteristics of the flying boom are essential prerequisites for achieving high-precision docking and stable transportation. Focusing on a slender flying boom with control surfaces， its aerodynamic and flight control characteristics are investigated systematically through a combined approach of wind tunnel testing and numerical simulation. First， aerodynamic parameters and control surface efficiency data of the flying boom under various conditions were obtained through wind tunnel force measurement tests. Subsequently， a dynamic model of the flying boom was established based on the floating frame of reference theory to evaluate its dynamic stability， and a flight control law for the flying boom was designed on this basis. Then， open- and closed-loop control characteristics of the flying boom were verified through wind tunnel flight tests. Finally， numerical simulations were employed to analyze the influence of Reynolds number and Mach number on the aerodynamic characteristics of the flying boom under typical operating conditions. The evaluation results confirm the feasibility of applying the wind tunnel test conclusions in engineering applications.

Key words: flying boom, aerodynamic characteristics, control characteristics, wind tunnel test, flight test

中图分类号:

V249.4

郭天豪, 张磊, 段雪峰, 刘志涛, 刘钒, 朱任宇. 基于风洞试验的一种杆件气动-飞控特性评估[J]. 航空学报, 2026, 47(16): 132934.

Tianhao GUO, Lei ZHANG, Xuefeng DUAN, Zhitao LIU, Fan LIU, Renyu ZHU. Aerodynamic and flight control characteristics evaluation of a flying boom based on wind tunnel tests[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(16): 132934.

图/表 28

图 1

图 2

表 1

图 3

图 4

图 5

表 2

杆件动力学特性参数

参数	数值
下俯阻尼比 $ζ θ$	0.080
下俯自然频率 $ω n θ$ /（rad·s^-1）	11.25
横滚阻尼比 $ζ φ$	0.010
横滚自然频率 $ω n φ$ /（rad·s^-1）	3.89

表 2

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

表 3

图 16

表 4

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图 18

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图 23

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参考文献 24

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
参考面积 S/m²	0.046
参考弦长 c_A/m	0.128
参考展长 b/m	0.413
最小长度 L_min/m	1.91
最大长度 L_max/m	2.61

参数	数值
质量m/kg	4.844
质心位置（相对转轴）x_cg/m	1.169
俯仰惯量I_y /（kg·m²）	1.946
偏航惯量I_z /（kg·m²）	1.931

测控设备	技术参数
飞控计算机	在线调参能力：具备最小飞控步长：4 ms
惯性测量单元	测量范围：±300 （°）/s 角速率精度：1 （°）/s 测量带宽：50 Hz
光学测量系统	位置测量精度：1 mm 角度测量精度：0.1°
升降舵舵机	最大扭矩：5.0 N·m 位置精度：0.5°
方向舵舵机	最大扭矩：3.5 N·m 位置精度：0.5°

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