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面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法

王旭 宁晨伽 王文正 张伟伟

王旭, 宁晨伽, 王文正, 等. 面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法[J]. 空气动力学学报, 2023, 41(2): 12−20 doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428
引用本文: 王旭, 宁晨伽, 王文正, 等. 面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法[J]. 空气动力学学报, 2023, 41(2): 12−20 doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428
WANG X, NING C J, WANG W Z, et al. Intelligent fusion method of multi-source aerodynamic data for flight tests[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2023, 41(2): 12−20 doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428
Citation: WANG X, NING C J, WANG W Z, et al. Intelligent fusion method of multi-source aerodynamic data for flight tests[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2023, 41(2): 12−20 doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428

面向飞行试验的多源气动数据智能融合方法

doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0428
详细信息
    作者简介:

    王旭(1996-),男,河南安阳人,博士研究生,研究方向:主要从事多源气动数据建模与流动控制研究. E-mail:wxnpu2014@163.com

    通讯作者:

    张伟伟*(1979-),教授,研究方向:主要从事智能流体力学/气动弹性力学研究. E-mail:aeroelastic@nwpu.edu.cn

  • 中图分类号: O354;V211.5

Intelligent fusion method of multi-source aerodynamic data for flight tests

  • 摘要: 风洞试验和飞行试验是飞行器研制过程中进行气动性能分析与优化设计的重要手段,然而,在高超声速飞行条件下,真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应的复杂变化给气动数据精准预测带来巨大挑战。为了提升天地气动数据一致性,针对某外形飞行试验数据开展了典型对象的天地气动数据融合方法研究。结合数据挖掘的随机森林方法,本文提出了一种面向飞行试验的数据融合框架,通过引入地面风洞试验气动数据,实现了对复杂输入参数的特征分析与特征排序,进一步对不同飞行时刻下飞行试验的气动数据开展了交叉验证。结果表明随机森林的机器学习框架对风洞-飞行试验数据关联具有较好的预测与外推能力,可以有效提升气动数据预测精度,相关研究为复杂环境下气动数据多源融合提供了思路。
  • 图  1  不同马赫数和迎角下的风洞试验结果

    Figure  1.  Result of wind tunnel tests

    图  2  飞行过程马赫数变化(50~320 s)

    Figure  2.  Mach number variation during the flight (50~320 s)

    图  3  飞行过程迎角与侧滑角变化(50~320 s)

    Figure  3.  Variations of angle-of-attack and angle-of-sideslip during the flight (50~320 s)

    图  4  飞行参数辨识得到气动力系数响应历程(50~320 s)

    Figure  4.  Time histories of aerodynamic coefficients during the flight (50~320 s)

    图  5  风洞试验与飞行试验轴向力系数对比

    Figure  5.  Comparison of axial force between wind tunnel test and flight test

    图  6  风洞试验与飞行试验法向力系数对比

    Figure  6.  Comparison of vertical force between wind tunnel test and flight test

    图  7  随机森林气动力回归建模流程

    Figure  7.  Process of regression modeling using random forest

    图  8  基于随机森林的数据融合架构

    Figure  8.  Aerodynamic fusion framework based on random forest

    图  9  遥测数据输入下各特征占比

    Figure  9.  Feature ranking of data from flight test

    图  10  风洞试验数据融合架构下各特征占比

    Figure  10.  Feature ranking of data from wind tunnel test

    图  11  数据融合模型的有效性验证

    Figure  11.  Validation of the data fusion model

    图  12  气动数据融合模型的预测结果(50~100 s)

    Figure  12.  Predictions of the data fusion model at 50~100 s

    图  13  气动数据融合模型的预测结果(150 ~ 200 s)

    Figure  13.  Predictions of the data fusion model at 150 ~ 200 s

    图  14  气动数据融合模型的预测结果(130~230 s)

    Figure  14.  Predictions of the data fusion model at 130~230 s

    图  15  气动数据融合模型的预测结果(180~280 s)

    Figure  15.  Predictions of the data fusion model at 180~280 s

    表  1  9个状态参数特征占比

    Table  1.   Ranking of nine characteristic parameters

    特征占比/%
    a 0.14
    Ma 2.10
    ρ 0.12
    α 20.00
    β 2.20
    d1 1.00
    d2 2.10
    d3 0.52
    d4 1.90
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    表  2  数据融合框架输入参数特征占比

    Table  2.   Feature ranking of the input data for the data fusion framework

    特征占比/%
    a 0.09
    Ma 1.01
    ρ 0.08
    α 13.30
    β 1.11
    d1 0.82
    d2 1.54
    d3 0.31
    d4 1.77
    CN 17.50
    CA 0.95
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    表  3  训练预测数据划分(训练预测比4∶1)

    Table  3.   Data for training and prediction for case 1 and 2

    训练状态预测状态
    算例1100~320 s50~100 s
    算例250~150 s 与 200~320 s150~200 s
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    表  4  训练预测数据划分(训练预测比1.7∶1)

    Table  4.   Data for training and prediction for case 3 and 4

    训练状态预测状态
    算例350~130 s 与 230~320 s130~230 s
    算例450~180 s 与 280~320 s180~280 s
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    表  5  不同预测算例均方根误差对比

    Table  5.   Mean-square errors of predictions

    预测算例地面风洞数据模型预测数据
    $ \sigma_{C_N}$$\sigma_{C_A} $$\sigma_{C_N} $$\sigma_{C_A} $
    1 0.0517 0.0262 0.0179 0.0242
    2 0.1407 0.0983 0.0361 0.0108
    3 0.1265 0.0291 0.0539 0.0189
    4 0.0927 0.0202 0.0411 0.0117
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-31
  • 录用日期:  2022-03-01
  • 修回日期:  2022-02-19
  • 网络出版日期:  2022-03-18
  • 刊出日期:  2023-03-01

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