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【国家级】火箭气动设计与轨迹控制仿真实验

学院:航空航天学院 专业:航空航天类  试用账号:游客 试用密码:游客

    近年来,高校实验室屡有爆炸、火灾等重大安全事故发生,威胁高校师生的生命安全,造成国家财产的重大损失。飞行器设计相关专业课程在本科实验教学中有很多实验操作具有高危险性和各种场地条件的限制。为保障教学安全,这些实验难以对大批量本科学生进行开放教学,从而使学生对这些未来工作需要的专业实验缺乏基本技能训练,对飞行器整体气动设计和控制缺乏切身体会。

    本实验课程是专门为飞行器设计工程专业本科生开设的,注重基础理论与专业知识的融会贯通,强化理论与实践的密切关系,具有很强的工程应用背景。实验的目的如下:

    1、帮助学生掌握火箭种类、工作原理,主要火箭部件构成及总体结构及设计方法,理解其设计流程和理念;

    2、以大学嘉庚一号火箭为例,讲解火箭的关键部件气动参数与轨迹控制设计流程;帮助学生掌握空气动力学基本原理、飞行力学的控制方法及控制原理,协助学生建立对火箭飞行气动力及飞行控制的直观感受;

    3、引导学生开展创新性的开放设计参数选择,帮助学生了解火箭气动设计与轨迹控制需求,通过气动设计和轨迹仿真模拟,得到满足设计要求的火箭外形与飞行轨迹,最终设计出符合需要的原型机;

    4、提高航空专业学生对飞行气动实验和飞行控制实验的操作能力,为毕业后适应科研院所工作的要求打下基础,培养全方位的复合型实验技能,建立飞行器设计工程专业本科生实验技能考核标准。


实验所属课程所占课时:48学时

该实验项目所占课时:4学时

(简要阐述实验原理,并说明核心要素的仿真度)

火箭气动设计与轨迹控制仿真实验主要涉及空气动力学、飞行力学、航空航天概论等课程知识,是一个综合性实验环节,总体上包括认知模块和设计模块。认知模块通过虚拟环境构建不同种类火箭结构及部件组成,设计模块通过计算流体力学和飞行动力学仿真模拟得到火箭的气动特性及飞行轨迹。该实验的核心实验原理及知识点如下:

(1)火箭气动特性仿真

计算流体力学(computational Fluid Dynamics,简称CFD)属于空气动力学课程范畴,是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。本实验中火箭气动特性数值模拟采用求解可压缩Euler方程组,结合热力学参数定义及理想气体状态方程,根据火箭的飞行状态,得到控制方程所需边界条件,进而计算其表面压强、温度、速度等参数,进而积分得到飞行器的气动力、升阻比等性能。

(2)火箭飞行轨迹仿真

飞行动力学仿真建模的主要目的是研究飞行器在空中的运动规律,通过解算飞行仿真动力学模型的各种参数来研究飞行器的总体性能。虚拟仿真实验使用MATLAB中的S-fuction方程描述飞行器的三自由度非线性数学模型。通过控制飞机攻角alpha从而实现飞行轨迹贴合预定飞行轨迹。使用仿真模型及控制律共同作用下输出火箭特定时间及位置的飞行状态量,将状态量导入至模拟软件中,即可查看飞行器飞行姿态。

知识点:6个

(1) 爱国主义教育:厦门大学航空航天学院自成立之初,就以“空天报国”为使命和担当。学院深入挖掘航空航天科学技术中的人文情怀,形成“空天报国”思想政治工作品牌,极大增强师生对国家航空航天事业发展的信心,提高师生投身航空航天事业的责任感和使命感。

(2) 火箭种类及各自特点:火箭可按不同方法分类,如能源、用途、级数等。但组成部件及工作原理基本相同。目前多以固体火箭和液体火箭为主。

(3) 火箭推进原理及性能指标:利用牛顿第三定律,通过高温高压工质在喷管中高速喷出,产生的反作用力对火箭产生推力。

(4) 升力及阻力产生原理:结合嘉庚一号火箭带翼结构,针对非对称机翼和对称机翼产生升力原理进行解读,分析阻力产生条件及高速飞行阻力特点。

(5) CFD数值模拟方法:将流动问题表示为方程式,建立几何模型,设置边界条件和初始条件,设置网格生成策略和求解方法并分析结果。

(6) 操纵性与稳定性分析:嘉庚一号火箭确立带翼回收可重复使用概念,因此需要结合飞行任务,对其舵面和鸭式布局进行稳定性和操纵性的分析。


    实验中的虚拟设备包括嘉庚一号固体火箭,主要由载荷舱、发动机、喷管、三角翼和舵面组成。按照设备真实比例建模的嘉庚一号固体火箭三维示意图(见图3)。

实验中的厦门大学“嘉庚一号”固体火箭预设参数为:总长8.7米,翼展2.5米,直径0.6米,起飞质量3700千克。火箭全程在大气层内飞行,最大飞行马赫数3,飞行时间200秒,最大飞行高度26.2千米,飞行距离67千米。

(举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果)

(1)采用的教学方法:

    虚拟仿真实验是信息技术与实验教学的深度融合产物,极大地拓展了学生的学习资源和空间,特别适应现代的发展,以及丰富了学生学习模式,特别是航空航天专业的试验大多具有危险性以及不可操作性,采用虚拟仿真的实验方式能有效弥补相关课程很难开展实验环节的不足。

    以厦门大学“嘉庚一号”火箭为例,实际火箭的开发过程只有少数学生可以参与进来。然而随着虚拟仿真实验环节的补充,采用实际工程项目与课程虚拟仿真相结合的实验教学方法,开创了线上线下教学相结合的个性化和智能化的实验教学新模式,将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合,极大激发了学生的学习兴趣,让更多的学生身临其境的参与仿真实验,学习相关专业知识,提高学生的专业实验操作技能。

(2)使用目的:

    改变教师传统的注入式教学方式,强调“以学生为中心”的实验教学理念,将学习资源开放,学习空间开放,以学生自己学习为主,教师指导为辅,教师鼓励、引导学生主动学习。

    通过虚拟仿真平台帮助学生掌握火箭部件构成及工作的基本原理,理解厦门大学嘉庚一号火箭的关键部件气动参数与轨迹控制设计流程。教师引导学生了解火箭气动设计与轨迹控制需求,开展创新性的开放设计参数选择,通过气动设计和飞行轨迹仿真模拟,得到满足设计要求的火箭外形与飞行轨迹,共同完成实验项目而使学生获取知识和技能。

(3)实施过程:

    预习阶段,学生将实验目的、原理、操作步骤、注意事项等做初步了解;演示阶段中包含全过程规范操作的录像,便于学生快速地从整体上了解实验内容;学习阶段中,通过在线平台文字、声音和高亮等提示帮助下,进行人机交互,一步一步学习完成整个实验;考核阶段无任何提示进行操作考试,考核结束后系统自动给出分数;报告阶段需撰写完成实验报告,包括实验目的、原理、实验数据处理和结果、实验结论以及对该实验设计的评价和建议,提交给老师评阅。

    

(4)实施效果:

    虚拟仿真实验教学环节一共设置了预习、演示、学习、考核和报告5个阶段。

    目前在本校初步展开了该实验项目的教学,服务学生总共80余人次。在示范教学过程中,强调关键步骤和注意事项,理论与技能并重。由于教学活动的重点放在设计仿真过程上,这就有利于学生掌握专业知识的同时将所学知识运用到真实的飞行器设计和飞行控制仿真实验中。学生通过完成教学项目,能有效调动学习的积极性,既掌握实践技能,又掌握相关安全知识,既学习了课程,又学习了工作方法帮助解决问题,能够充分发掘学生的创造潜能,提高了学生解决实际问题的综合能力。


(学生交互性操作步骤应不少于10步)

实验方法描述:

(1)实验设备及模型认知

    在线系统中涉及的各类火箭,包括“嘉庚一号”均单独建模,能够进行360度全方位的展示。火箭各主要部件可以单独分解展示,并搭配文字说明,让用户达到认知的效果。所有模型在实例讲解模块的界面中显示,点击某个火箭类型进入该对应的火箭模型的具体展示。


(2)气动特性仿真计算

    仿真计算以“嘉庚一号”火箭为模型,可在标准算例模块或者约束算例模块领取不同的飞行任务,如图5所示。采用求解可压缩Euler方程组,结合热力学参数定义及理想气体状态方程,根据飞行器的指定飞行状态,计算火箭表面压强、温度、速度等参数,进而积分得到火箭在不同飞行攻角下的升阻比曲线。


(3)飞行轨迹仿真计算

    在完成气动特性仿真计算后,学生需要进行飞行轨迹的仿真计算。具体方法是将气动数据录入相应的气动数据文件转化为零迎角升力阻力系数矩阵。利用矩阵和火箭推力以及质量信息,求解火箭飞行过程中的三自由度运动微分方程,来进行火箭飞行轨迹的仿真。

学生交互性操作步骤数:19

学生交互性操作步骤说明:

    火箭气动设计与轨迹控制仿真实验是一个综合性实验环节,包括认知模块和设计模块,共计20个实验步骤。

(1)认知探究模块的实验步骤

    打开浏览器,在地址栏中输入实验项目展示网站网。选择相应的角色登录后熟悉实验环境界面,包括实验相关信息,包括实验名称、实验类型、所属课程名称、实验要求、实验报告内容等,如图7所示。点击页面中的“开始实验”按钮即可开始实验。



步骤2:嘉庚一号火箭使命担当以及爱国情怀教育

    点击开始试验后,首先会看到厦门大学嘉庚一号火箭相关的研究背景图片及视频,讲述嘉庚一号火箭背后鲜为人知的故事。嘉庚一号作为国内第一个满足可重复使用技术要求的基于火箭动力的试验飞行器,其研究背景、研究历程、技术试验等等均展示给同学。结合教师讲解,展示相关研究团队主动融入中华民族伟大复兴的努力实践,激扬空天报国情怀,奋勇拼搏自强不息止于至善的效力期许。

步骤3:火箭原理及性能

    依次点击查看实验目的和实验原理,了解相关信息,基于实验目的学习相关实验原理。点击推进原理,学习牛顿第三定律作用力与反作用力,学习火箭推力及升阻力产生原理,学习火箭主要性能参数。

步骤4:液体火箭讲解

    点击实例讲解中的液体火箭菜单,以土星5号火箭为例讲解液体火箭的结构特点和主要工作原理。学生可以从多视角观察火箭结构,点击火箭机身进行部件分解,学习各部件性能并组装还原火箭。

步骤5:固体火箭讲解

    点击实例讲解中的固体火箭菜单,以长征11号火箭为例学习固体火箭的结构特点和主要工作原理。学生可以从多视角观察火箭结构,点击火箭机身进行部件分解,学习各部件性能并组装还原火箭。


步骤6:固液混合火箭讲解

    点击右侧菜单栏实例讲解中的固液混合火箭菜单,以阿丽亚娜4号火箭为例学习固液组合火箭的结构特点和工作原理。

步骤7:嘉庚一号火箭讲解

    点击右侧菜单栏嘉庚系列菜单,以嘉庚一号固体火箭为例详细学习其部件组成及主要结构特点。学习气体动力学相关知识在嘉庚一号带翼火箭结构设计中的应用。

步骤8:嘉庚一号火箭拆装

    按照部件结构组装成嘉庚一号火箭,了解嘉庚一号火箭详细结构。 

步骤9:嘉庚一号火箭部件讲解

    结合嘉庚一号火箭三角翼结构完成气动力及升阻力特性学习,结合嘉庚一号火箭舵面结构完成气动力、稳定性及操纵特性学习。

步骤10:结合所学知识点完成答题

    点击右侧菜单栏课堂测试菜单,进行火箭相关知识答题,通过后即可进入下一模块。

(2)设计分析模块的实验步骤

步骤11:嘉庚火箭涂装

    点击左侧菜单栏涂装菜单,以嘉庚一号为例,进行个性化涂装。

步骤12:领取标准飞行任务

    点击左侧菜单栏标准算例菜单,以嘉庚一号为例,了解其发射任务需求,了解火箭整体布局及设计参数,领取标准飞行任务,进入到气动设计界面。


步骤13:标准飞行任务气动特性仿真

    按照示范任务要求,在气动设计界面完成火箭、辅翼和方向舵的设计参数输入,点击“设置完成”系统自动进行相关气动特性的仿真计算,并在气动设计界面显示火箭气动计算结果云图和不同攻角时的升阻比曲线。

步骤14:标准飞行任务飞行轨迹仿真

    点击气动设计界面右下方的查看轨迹,进入到飞行轨迹仿真界面。按照标准飞行任务要求,在飞行轨迹仿真界面输入参数,并导入步骤13完成的升阻比曲线,进行飞行轨迹仿真,满足标准飞行任务要求。

步骤15:领取约束飞行任务

    点击左侧菜单栏约束算例菜单,以嘉庚一号为例,根据不同飞行需求产生了不同的约束飞行任务(依次分为任务一、二和三),其中约束飞行任务三的设计参数师生课上可根据前面任务结果共同讨论设置。学生分组依次领取约束飞行任务,设置飞行任务参数,进入到气动设计界面。

步骤16:约束飞行任务气动参数设计

    对火箭特殊约束任务飞行需求进行分析,在气动特性仿真界面进行火箭三角翼的选型及相关设计参数的调整,完成新的气动结构设计。

步骤17:约束飞行任务气动特性仿真

    完成新的气动结构设计后,点击“设置完成”系统进行气动特性仿真计算。

步骤18:约束飞行任务飞行轨迹仿真

    点击气动设计界面右下方的查看轨迹,进入到飞行轨迹仿真界面。按照约束飞行任务要求,在飞行轨迹仿真界面输入参数,并导入步骤16完成的升阻比曲线,进行飞行轨迹仿真。

步骤19:数据分析

    查看步骤17和步骤18的仿真数据,判断新的飞行轨迹是否满足约束飞行任务。如满足则显示“任务成功”,即可提交实验,进入到步骤20;如不满足则需要详细分析数据,点击 “重新设置”,再次进行步骤16至步骤18,选取适合的气动外形参数进行仿真,直至结果满足约束飞行任务需求。

步骤20:填写实验报告




是否记录每步实验结果:

实验结果与结论要求:实验报告

其他描述:

    在飞行轨迹仿真任务的模拟结果中会得到飞行轨迹的曲线,如下图所示。需要教师指导学生将仿真得到的飞行轨迹曲线(绿色)与飞行任务所需求的标准飞行轨迹曲线(蓝色)进行对比分析。如果两条曲线相符,或者仿真曲线飞行性能更优,则说明学生所设计的火箭气动外形符合飞行任务的需求,显示“任务成功”。如果两条曲线相差明显,特别是重点飞行参数仿真结果不符合飞行要求,那么教师可要求学生通过调整火箭的气动外形结构再次进行仿真,直至得到满足飞行任务需求的轨迹及火箭气动外形。


本实验将实验预习、实验操作、实验结果、实验报告“四位一体”全面考核和评价学生的学习成效。具体考核要求、评分细则和比例见评分细则表。


专业与年级要求:

飞行器设计与工程专业大学三年级学生

基本知识和能力要求:

    在使用本虚拟仿真实验系统学习前,对于参加实验的飞行器设计与工程专业学生,要求学生已经较系统的学习航空航天概论、流体力学、空气动力学、飞行力学、计算流体力学等课程。已经掌握了飞行器设计、高超声速流动的基本理论,在专业能力方面要求学生对空气动力学理论及应用有深入的理解。

本校上线时间:2019-07-15

已服务过的本校学生人数:80

是否纳入到教学计划:

所属课程教学大纲:http://www.ilab-x.com/file/view?id=15317

近两年已完成的教学计划或授课提纲:http://www.ilab-x.com/file/view?id=18794

是否面向社会提供服务:

社会开放时间:2019-08-15

已服务人数:30

电气控制

0 0
99.00元

机械结构

0 0
99.00元

厦门大学

实验负责人
尤延铖

教授

团队成员
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实验评价
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