航空检测技术

航空检测技术（通用12篇）

航空检测技术 篇1

航空技术是上世纪才出现的一门科学, 由于其高科技性和重要性, 各个国家对航天技术都非常的重视, 尤其是前苏联第一次把人送上了太空, 人们从古到今对宇宙的幻想成为了现实, 航空技术成为了20世纪最重要的一门技术, 也是衡量一个国家技术水平的重要的标志, 航天技术是一个综合性的技术, 而测控技术是航空技术的重要环节, 一般情况下来说, 航空是指地球大气层内的一些活动, 主要有火箭、卫星等方式, 测控技术在航空中的应用主要体现在对于这些飞行器的跟踪上, 随着我国的航空技术达到世界水平, 测控技术也得到了很好的发展。

1 航空测控技术简述

1.1 航空测控技术的概念

航空测控技术是随着航空技术而发展起来的一门学科, 国外的测控技术研究从上个世纪初就开始了, 受到我国经济水平和科技水平的限制, 虽然我国的航空技术在建国后不久就开始了, 但是对于航空测控技术的研究, 却是从上世纪80年代才开始的, 由于测控技术中需要进行大量的计算工作, 如果采用传统的人力计算方式, 很难完成越来越复杂的测控计算, 所以航空测控技术的发展, 无法离开计算机等高科技设备, 在我国航空技术发展的初期, 由于西方发达国家的经济和科技封锁, 我国的科学技术发展速度非常缓慢, 计算机的水平要落后世界很多, 当时甚至还没有超级计算机的概念从上面的分析可以看出, 航空测控技术的概念就是对数据的获取和处理, 而数据处理的过程主要就是通过计算机进行计算, 随着集成电路和超集成电路的发展, 电子行业为科技带来了新的动力, 这在很大程度上推动了航空测控技术的发展。

1.2 航空测控技术的特点

通常情况下, 航空测控技术主要可以分为两类, 一种就是对飞行仪器的轨道数据等进行测量, 另一种就是对飞行器的工作状态等参数进行测量, 随着我国航空技术的发展, 目前我国的航空测控技术也达到了世界先进水平, 在以往的航空测控系统中, 使用的很多设备和技术都需要从国外引进, 而西方国家对我国一直都存在技术封锁, 因此我国的航空测控技术发展, 很大程度上依赖前苏联和俄罗斯, 总所周知在航空领域中, 现在的俄罗斯和美国是当之无愧的老大, 而美国依靠的是先进的航空材料学, 俄罗斯依靠的是先进的空气动力学, 我国的航空技术中, 目前依然是技术优于材料的局面, 由此也可以看出我国航空测控技术的特点, 在航空测控设备上, 与发达国家还有一定的差距, 但是在相关技术的理论研究上, 已经处于了世界领先水平。

2 航空技术中航空测控技术的发展前景

2.1 大力发展基础技术

航空测控技术属于精密电子技术, 而精密电子技术离不开集成电路、数控技术、数字信号处理等, 因此要想发展我国自己的航空测控技术, 首先应该发展这些基础技术, 例如集成电路的发展, 目前我国的集成电路开发工作相对落后, 尤其是CPU领域的研发, 目前的计算能力和生产能力相对较差, 与国际先进水平有一定的差距, 在精密电子设备的使用中, 很多集成电路都需要从国外引进, 而数控技术作为一种自动化的控制技术, 在现如今的电子时代, 更是应该受到足够的重视, 在很多电子设备应用的领域, 都离不开对设备的位置、速度等进行精密的控制, 这种控制依靠人员操作显然无法保证精度, 尤其是一些精度达到了微米、甚至是纳米级别的控制, 只能依靠自动控制技术来实现, 在航空测控技术的应用中, 数控技术就是一个基本的技术, 由于在测控的过程中, 需要对飞行设备进行实时的调整, 而无论是外部飞行轨迹、还是内部温度等的调整, 都需要依靠数控技术来实现, 由此可以看出数控技术对于航空测控技术的重要性。

2.2 发展通用的航空测控设备

在实际的航空测控过程中, 根据测控的目标不同, 通常会建立一个针对性的测控系统, 目前市面上已经有一些公司开发的测控系统, 但是这些系统在使用时存在很大的局限性, 如果为了一次航空测控任务, 而设计一个系统或者采购一个系统, 那么在测控任务完成以后, 这套系统就只能进行闲置, 除非再有相类似的任务, 但是短时间内很难会有相类似的航空测控任务, 这就使得这种针对性的测控系统使用非常不方便, 在测控系统的设计和采购上, 经常会浪费大量的人力和财力, 严重的影响了我国航空测控技术和设备的发展, 要想从本质上改变这种现象, 就应该加强测控技术和相关设备的通用性, 根据航空测控的实际需要, 结合以往的航空测控经验, 制定一个测控标准化通用系统, 这个通用系统应该根据一定的标准进行, 例如可以按照速度分为高速、中速和低速三种测控标准, 然后测控系统设置大量的可调参数, 这样系统在实际的使用过程中, 就会有很大的适应性, 只需要进行一些参数设置后, 就可以进行相应的测控工作。

3 结语

通过全文的分析可以知道, 航空技术作为一门尖端的技术, 是目前各个国家研究的重点内容, 而航空测控技术作为一个基础性的技术, 其精密性和尖端性都较差, 但是其具有非常重要的作用, 因此要想发展好我国的航空技术, 必须深入的研究航空测控技术, 而在航空测控技术中, 集成电路和数控技术等都非常重要, 尤其是数控技术, 在整个电子领域中, 都能够得到很好的应用。

摘要：航空技术虽然经过了短短几十年的发展, 却已经成为了目前每个国家最重视的一门技术, 甚至是衡量一个国家技术水平的标志, 而作为航空技术中最基本的测控技术, 有关设备和理论的研究, 一直都是国家重视的内容, 本文根据航空测控技术的概念和特点, 对航空测控技术中的数控技术和标准化通用系统进行一定的研究。

关键词：航空技术,航空测控技术,浅析

参考文献

[1]微凉, 七丁.航空测控技术与设备应用调查报告[J].航空制造技术, 2008 (02) :62-63.

[2]孙先逵, 秦岚.远程测控技术的发展现状和趋势[J].仪器仪表学报, 2004 (S2) :562-564.

[3]曲卫, 贾鑫.我国航天测控系统体制与技术现状以及发展[J].科技信息, 2010 (14) :481-482.

航空检测技术 篇2

齐

鹏

200808125

摘要

本文从我国航空数字化现状讲起，首先介绍了数字化总体框架研究的概念，设计要求，系统组成，基础环境，工作机制等内容，然后在实际应用层面着重介绍了MAZATROL FUSION 640系统，并简单介绍了数字化装配过程仿真验证技术以及飞机数字化装配技术。

关键词：数字化 总体框架 智能化 网络化 信息化

数字化装配

一、我国航空数字化现状

我国的航空制造业数字化经过多年的发展，取得了一定的成效，在产品的三维数字化设计、数字样机应用、工装数字化定义、预装配、主要零件的数控加工，产品数字仿真与试验、工艺数值模拟与仿真、产品数据和制

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造过程管理等方面有了较深入的应用，但是，我们也应清醒地认识到，产品全生命周期的信息通道尚未打通，数字化工程体系还未形成，数字化技术的巨大效能远未发挥。与发达国家相比我们还存在巨大差距，尽管我们在航空制造业实施了并行工程，但仍然停留在以产品为中心的产品研制理念，而发达国家已经转向以客户为中心的产品研制理念，即产品研制过程中，产品的目标从（可）制造性向服务性转化，采用面向产品全生命周期的管理模式。美国对于高风险的大型武器装备的研制，率先采用一体化产品与过程设计模式，将系统工程方法和新的质量工程方法相结合，并应用一系列决策支持过程，在计算机综合环境中集成，有效控制了产品的质量和风险。著名的JSF项目（新一代联合攻击战斗机）的研制，完全建立在网络化环境上，采用数字化企业集成技术，联合美国、英国、荷兰、丹麦、挪威、加拿大、意大利、新加坡、土耳其和以色列等几十个航空关联企业，提出“从设计到飞行全面数字化”的产品研制模式，用强势联合体来化解风险。

目前，国家正在大力推进制造业的数字化。制造业企业急需从战略的高度，构造面向产品全生命周期的、—2—

支持跨企业联合的数字化工程体系。本文根据相关的研究和实践，总结多年的应用成果，以航空制造业为背景，提出制造业数字化的总体框架，给制造业数字化应用平台的建设提供参考。

二、航空制造业数字化总体框架研究

（一）总体框架设计要求

面对竞争激烈的市场大环境，制造业的唯一出路是在最短的时间内以最有效的方式生产出最能满足客户需要的产品。制造业企业间既有竞争又有联合，只有发挥各自的技术和资源优势，才能降低成本，分摊风险，共享市场。构建数字化工程体系是达到以上目的最有效的方法和手段。

数字化工程体系的核心是信息共享和过程管理，因此，制造业数字化工程的总体框架必须能实现制造业企业内部和企业间的信息共享和过程控制。

产品数据信息和产品生命周期相关的其他信息在各企业、各部门、各专业之间的顺畅流转，是产品研制顺利进行的重要保障。总体框架的设计要有利于实施全生命周期的产品数据管理，实现单一产品数据源，打通企

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业间的信息流。

过程管理的内涵是面向产品的管理，而不是面向企业（或组织）的管理。它需要数字化体系能够把设计、试验和制造部门与客户、供应商、协作单位联系起来，采用IPT组织的方法，优化产品研制流程，达到控制成本、降低风险、缩短产品研制周期的目标。

针对当今信息化技术的快速发展，要求制造业数字化体系能够支持企业业务变更的需求，支持流程再造和组织重构的要求，满足通用性和专业性的要求。

（二）数字化框架组成 1.数字样机系统

数字样机是产品的数字化描述，贯穿于产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是工程设计、功能分析、试验仿真、加工制造、直至产品售后服务等的信息交换媒介。随着产品研制的不断深入，数字样机由表及里，由粗到细，成熟度不断增长。

数字样机系统生成了数字样机，也提供了对数字样机进行分析、评估、仿真等功能。2.产品数据管理系统

产品数据管理系统管理并维护与产品相关的所有工

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程数据，包括产品的几何模型、说明性文档、技术状态数据等，产品数据管理同时也管理与维护产品数据间的关联信息，如产品结构、构型、版本等信息。3.工程协同系统

工程协同系统是由数字化设计系统、数字化试验系统、数字化制造系统等业务系统所组成的集合，从信息化的意义上来说，业务系统就是使能工具。工程协同系统是工程数据的主要生成源，各个业务系统通过数字样机进行数据交换。该系统包括：

（1）数字化设计系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业业务软件，包含产品设计的各种专业软件和工具，专业仿真软件工具，设计评估工具等。

（2）数字化试验系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业试验系统包括：数字化强度试验、飞控试验、系统试验、电气试验、航电武器试验、地面联合试验等试验业务系统。

（3）数字化制造系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业制造系统，包括：数控加工系统、数字化复合材料生产线、数字化钣金生产线、数字化切削生产线、数字化工装生产线、数字化焊接生产线、数字化

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电缆管线生产线等制造业务系统。

（4）数据转换接口：业务系统之间的数据格式转换接口。

4.工程过程控制系统

工程过程控制系统包括基于数字样机的并行过程控制系统和项目管理系统。

并行过程控制系统实现了设计、试验、制造等业务系统的过程集成。并行过程控制系统确定了一个任务应涉及哪些业务系统，并通过控制数字样机的成熟度，确定业务系统是否启用，是否能够访问数字样机，同时并行过程控制系统也监视业务系统的状态，从而使之围绕特定任务协调有序地运行。

项目管理系统完成项目任务的计划、资源调配、IPT组织管理、进度和质量监控等管理控制过程。

5.工程支持系统

工程支持系统主要向工程协同系统提供工程过程中所需的支持信息，包括质量、五性（可靠性、可维修性、可测性、保障性和安全性）、标准、适航、情报资料、研制知识等信息，这些信息可以是模板、文件以及其他对象等形式。该系统同时也提供了质量、五性、标准和适

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航等方面的控制和评估功能。

（三）基础环境

基础环境包括计算机系统、网络系统和数据库系统等，是企业内部和企业间信息交换的基础。

（四）总体框架工作机制

产品研制业务关系表现在业务数据关系和业务流程关系两个方面，从信息化的角度来看，总体框架应实现信息的集成和过程的集成。因此，制造业数字化的总体框架由纵向的工程过程控制、横向的工程工作面和作为支撑的基础环境所构成，其中工程过程控制实现过程的集成，工程工作面实现信息的集成。

工程工作面是产品研制过程的时间断面。在工程工作面中，工程协同系统是工程研制中数字化设计、试验和生产等方面业务系统的集合；数字样机系统对产品数据进行映射生成了数字样机；产品数据管理系统负责管理产品相关的所有数据；工程支持系统提供工程支持信息的共享。

工程协同系统中的业务系统之间的数据交换是通过数字样机来进行的；数字样机系统根据业务系统的不同要求，对产品数据管理系统所管理的产品数据进行过滤，—7—

生成相应的数字样机；工程协同系统可以从工程支持系统中得到质量、标准等信息。工程工作面实现了信息的集成。

工程过程控制分为两条主线：一条主线是基于数字样机的并行过程，所控制的对象是工程协同系统中的各个业务系统，并行过程采用成熟度控制的机制；另一条主线是项目管理过程，采用任务节点控制的机制。

项目管理过程控制的是点，而并行过程控制的是线，并行过程由项目管理过程触发，工程过程控制实现了过程的集成。

项目管理过程可以理解为对工程过程的任务节点（里程碑）的控制过程，任务节点主要描述了任务的进度、资源需求和任务间的关系等。在一个任务开始前，需要配置相应的资源（包括人员和物料、设备等），由IPT小组执行此项任务。通常，一个任务是否完成，是由并行过程控制系统返回的状态来确定的，对里程碑（阶段评审）来说，需要阶段评审的结论来支持。阶段评审的内容可以包括：质量、标准、五性和用户意见等方面。

当一个任务结束后，为之所配置的资源将被释放，随着一个新任务的启动，新的资源配置也将完成。因此，—8—

项目管理过程同时也包含了IPT组织的动态变化过程。

按照过程定义，并行过程确定哪些业务系统参与任务的执行。业务系统之间的协同是以数字样机为共同的信息基础，并行过程通过控制数字样机的成熟度，来限制各个业务系统访问数字样机。并行过程监控各业务系统的运行状态，并根据数字样机的成熟度、过程定义实现对各个业务系统的协同控制。

工程工作面、工程过程控制和基础环境，三个部分构成了以数字样机为中心、以产品数据管理为手段、以工程过程控制为主线的制造业数字化总体框架。

三、数字化制造助力航空制造业发展

随着电子计算机软硬件技术和网络技术的发展，在产品的设计开发、虚拟制造、工厂的管理软件和电子商务方面，都有大量比较成熟的硬件平台和软件供使用，然而，产品最重要的一个环节--生产制造方面，目前来讲还是一个瓶颈，制约了数字化的应用和发展。

在这种大的环境和背景下，对生产制造关键环节的信息化要求就越来越迫切。数控机床虽然经历了几十年

—9— 的发展，无论从功能还是从精度来讲都已经发展到了一个新的高度，但是长久以来，数控机床网络化的应用更多的还是停留在由计算机向机床传输程序、机床参数和加工参数等原始的应用内容方面，而机床的工作状态如何我们无法知晓。很显然，这样的数控机床很难跟上这个时代的步伐，无法适应当今智能化，网络化和信息化方面的需要。为了适应发展的需要，MAZATROL FUSION 640系统应用而生：

（一）MAZATROL FUSION 640系统简介 MAZATROL FUSION 640系统是MAZAK公司开发的新一代数控系统。该系统将CNC和PC紧密地融合起来，兼具传统CNC和现代PC双方面的优势，使很多智能化和网络化的功能得以实现。

采用人机对话式编程方式的MAZATROL 640系统对编程操作人员的要求大大地降低，同时也提高了编程的准确性和效率。操作者只需要输人被加工零件的材质、使用的刀具材质、加工部位的最终要求、被加工工件的形状数据和工件的安装位置，数控系统就会通过内置的专家系统自动决定零件的加工参数(比如主轴转速、进给速度等)以及自动计算并确定刀具路径，避免了绝大部分的

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编程错误。系统还有三维实体模拟加工功能，可以立即对编程的结果加以验证；系统的加工向导预测功能可以根据切削条件计算出主轴的功率负荷和加工时间，据此，编程操作人员可以对程序进行进一步的优化，以平衡主轴输出负荷，提高加工效率。

系统的语音提示和导航功能可以在开机后用语音问候操作者，提示操作者机床的状态并做安全确认，防止出现误操作；震动抑制功能可以将机床加减速引起的机械震动消除，从而提高零件的加工质量和刀具的使用寿命；同时，可以进行虚拟加工，在机床、工件、刀具和夹具的3D模型下实现加工程序与实际加工环境一样的模拟加工，从而在实际加工前就可以检查加工中可能出现的干涉，还有智能安全保护功能，在手动操作时可以进行干涉确认，在干涉发生前停止机床，不用担心发生撞车;虚拟加工、自动加工过程中的干涉检查，使得编程更加放心、快捷、简单。

另外，刀其的寿命管理功能、机床维护保养提示和在线服务等智能化的功能也为机床的使用和维护提供了很好的手段。

（二）智能生产中心CPC(Cyber Production Center)

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管理软件

随着企业的不断发展和生产规模的不断扩大，企业需要更多的生产设备来满足生产的需要，但是随着生产设备的增多，生产管理的工作量也越来越大，因此，MAZAK公司在单机的智能化网络化基础上，开发了智能生产中心CPC管理软件，一套软件可以管理多达250台的数控机床。该软件包含4个独立的模块:加工程序自动编制(CAMWARE)、智能化日程管理(Cyber Scheduler),智能刀具管理(Cyber Tool Manager)和智能监控(Cyber Monitor)。

加工程序自动编制是一种易学易用的人机对话式零件加工自动编程系统，该系统使用通用的DXE或者IGES格式从CAD图纸中获取零件的形状信息，根据每台加工设备的设备信息和工厂内的刀具数据库刀具信息，通过简单的操作针对现有的设备和刀具配置生成零件的加工程序以及刀具需求、加工时间等数据，并通过网络将这些数据直接传送到相应的加工单元和管理系统软件。这些数据就可以自动生成工时成本，进行刀具准备，实现了加工工艺编制、加工程序编制、工艺路线安排和刀具资源配置的并行作业。而且该软件还有加工程序管理方

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面的功能，方便客户对大量的程序资源进行准确、高效的管理。

智能化日程管理软件能够根据营业单要求的数量、交货期以及CAM WARE提供的加工时间数据和工时成本信息，迅速自动编制出对顾客的交货周期和报价。另外根据合同要求的交货周期以及生产现场的每个单元、工位的现状做出零件、部件的作业计划和整机的装配和出货计划，对临时出现的紧急情况也可以方便快速地对计划做出调整，并通过网络自动将精确的日工作计划发送到每个现场终端和每台机床的控制器上。通过智能化日程管理，工厂的每个加工单元、加工工位都实现了实时精确的作业调度，最大限度地减少了机器的空闲时间，给顾客报出的交货周期和价格更具准确性和竞争力。

智能刀具管理软件能够根据智能编程软件提供的刀具信息和智能化日程管理软件提供的工作任务信息，对每台设备的刀具数据进行分析，结合控制系统的刀具寿命管理功能将刀库内现有的刀具清单和需要的刀具清单进行对照分析；再针对每个加工任务提出刀具需求和状态，比如加工工件需要而刀具库中没有的刀具清单、刀具库中多余的刀具清单、刀具库中虽然有但是加工过程

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中将要达到寿命的刀具清单;然后通过网络将这些信息发送到每个相应的加工单元和刀具室。有了这些信息，操作者和刀具管理人员就可以对刀具进行快捷、高效的管理。

智能监控软件将现场每台机床以及每个工位的加工状态通过网络实时反馈到管理者和相关部门的电脑上，使管理者以及相关部门在任何有网络的地方都可以实时地了解到加工现场的工作情况和计划的执行情况，随时监督机床的运转状态、参数设定是否合适、加工完成情况而无需人工汇报;同时，能够做出准确的判断，必要时及时下达相应指令。另外，MAZATROL FUSION 640数控系统的双向通信功能可以让管理软件直接调用其工况记录数据库，使得工场工作量的统计完全由计算机自动进行。智能监控的应用使管理者无论身在何处，都能够清楚地了解工厂的生产状况，从而对瞬息万变的市场做出及时淮确的反应。

（三）智能生产中心结合MAZATROL 640系统的优势功能

智能生产中心软件结合MKP,PDM和ERP等等管理软件，可以实现从订单输入、产品设计、库存管理、生产

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制造订单发行、生产购买订单发行、生产管理、半成品和成品管理全过程控制，实现了作业日程安排、工艺管理以及数控机床运行状态的监控，使生产全过程控制由车间级细化到每台数控机床，保证了生产进度和生产成本控制，使机床开动率大幅提高。使用一般的生产管理模式和CNC机床时，有75%的时间是用来进行准备的(设计、工艺、编程、刀夹量具准备、调度、工时或成本核算等)，只有25%的时间是用来加工的。用智能生产中心后，准备时间由75%降为50%，加工时间由25%上升至50%，使工厂的生产和管理过程实现了并行化、网络化，大幅度降低了生产过程中的辅助时间，从而有效提高了生产效率。

对于工厂的管理者来讲，最想知道的是昂贵的数控设备在生产现场是如何运转从而创造利润的，以及如何合理地安排这些资源以满足客户对质量和交货周期的要求。智能化、网络化的MAZATROL 640系统加上智能生产中心软件可以帮助管理者随时随地了解这些信息。

比如管理者想知道每台机床每天的工作时间、工作状况、生产了多少零件、机床的开动率等信息，智能化的MAZATROL 640系统会自动记录机床的工作状态，管理

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者可以很方便地了解每台机床每天的运行记录:机床什么时候开机，什么时候停机，开机时什么时候处于自动运行状态，什么时候处于调整状态，什么时候发生机床报警，都加工了什么工件，加工了多少工件，机床的主轴转速及负荷是多少等等，方便管理者及时把握现场的机床运转状况，并根据现场的情况及时作出调整计划。

另外，系统还可以对记录的这些工作状况进行运算处理，并用图形把它直观地表达出来，如以时间为坐标，用条形图显示出机床每天每一时段的状态，还可以用饼图表示一段时间内各种工作状态所占的比率，这样可以很方便地统计出机床的开动率，工厂的管理者和计划人员可以依据这些信息进行管理和计划。

MAZATROL 640系统将PC和CNC融合在一起，具有非常强大的网络化功能，可以方便地接入任何类型的计算机网络环境，这些功能都可以通过软件和网络来实现。无论在办公室、家里还是出差，只要有网络存在，我们都可以通过计算机网络对机床进行全方位的监控，实现了机械加工的信息化，完全满足了现代化、信息化管理的需要，给传统的制造业经营管理模式带来巨大的变革。因此，它为用户带来的不仅仅是一种工具，而是公司管

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理方式的一种变革，这种变革可以对市场的变化作出快速的反应，从而提高了企业的生产效率和综合竞争能力。

基于网络的制造已经成为21世纪的主要制造模式，各个行业无不在互联网这个平台上进行着产品的开发设计、制造、销售和服务。互联网贯穿了整个产品的生命周期，成为各个企业快速响应市场需求、不断推出新产品、赢得市场竟争力和自身不断发展的主要手段。具有智能化、网络化的MA7ATROL FUSION 640系统和智能生产中心软件使机械加工这个瓶劲环节迅速地融入到现代信息社会中，为航空企业的发展提供了有力的工具，使航空企业走在时代的前列。

四、数字化装配过程仿真验证技术

三维数字化装配过程仿真验证技术是在软件虚拟装配环境中，调入产品三维数模、资源三维数模和设计的装配工艺过程，通过软件模拟完成零件、组件、成品等数模上架、定位、装夹、装配(连接)、下架等工序的虚拟操作，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，验证工艺设计的准确度，以发现装配过程工艺设计中的错误。仿真是一个反复迭代的过程，不断地调整工艺设

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计，不断地仿真，直到得到一个最优的方案。

（一）装配干涉的仿真

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并示给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。在三维环境中，检查过程非常直观。

（二）装配顺序的仿真

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。虽然装配顺序设计是按先里后外的原则设计的，但实际装配时候就发现有零件装不上去，无奈只有拆除别的零件，先装这个零件。

（三）人机工程的仿真

产品装配的过程，少不了人的参与，产品移动的过

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程也就是人动作的过程。在产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，针对零件的装配，对工人以下工作特性进行分析。

（四）装配现场三维工艺布局仿真

在数字化环境下，建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型，将已经建立的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具等制造资源三维模型放入厂房中，按照确定的装配流程进行全面的工艺布局设计。三维工艺布局比传统的二维工艺布局更直观，充分体现了三维空间的状况。并且在数字环境下可以仿真生产流程。

（五）可视化装配

经过仿真验证的三维数字化装配过程仿真文件，可在不同的工位节点或A O节点通过程序打包传递到车间，也就是将产品的三维数模和工艺信息(装配顺序说明或动画、装配产品结构等信息)传递到操作者手中。操作者能够采用终端电脑或手持电脑读取这些信息，使工人能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配时间，降低装配成本。

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在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观了解装配全过程，实现可视化装配。也可用于维护人员的上岗前培训。

五、飞机数字化装配技术

飞机数字化装配技术是数字化装配技术实际应用的一个方面，下面简单介绍该技术的应用过程：

1.利用设计部门发放的产品三维数模和EBOM，在三维可视环境下进行产品的装配工艺规划及工艺设计。将三维数模数据(属性)导入产品节点，并将三维数模数图形的路径关联到每个零件上，在编制工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形，直观地反映装配状态。

2.在产品工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型，并制定出产品各工位之间关系的装配流程图，形成装配PBOM。

3.在装配工位划分的基础上，对每个工位依据段件装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内的段件装配工艺模型

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零组件的装配顺序，并且将相关的资源(设备、工装、工具、人)关联到工位上。确定该工位需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的AO号。

4.在装配AO划分基础上，对每本AO依据段件装配工艺模型进行详细的装配工艺过程设计，定义该工艺过程所需要的零组件、标准件、工装等，在三维数字化环境下确定该装配过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，并选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等资源，形成用于指导生产的AO和MBOM

六、结束语

综上所述，先进的数字化技术已经广泛应用于航空制造业的各个方面，而且近几年发展迅速并对各国的先进制造行业产生了深远的影响。但是数字化技术的普及还有待深入、提高，尤其是我国的航空数字化制造技术与欧美一些国家、日本相比还有很大差距。应当大力开展航空数字化制造技术的研究开发，使数字化制造技术普遍应用于航空制造工业，并不断改进完善传统的制造工业。这是我国制造业发展的大势所趋，国家、企业和

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从业于制造业的各类人员都应给予高度重视。

等离子体技术助燃航空事业 篇3

等离子体在航空动力上，可以有效地提高燃烧稳定性和燃烧效率，且能极大改善航空发动机压气机增压比升高后的工作稳定性；而在飞机气动力上，等离子体可以减少飞机阻力，增加升力，提高战机的失速攻角和机动性。

2011年5月12日，我国首个等离子体动力学国家级实验室在空军工程大学挂牌成立。说到等离子体与航空的关系，流传最广的就是所谓的“俄罗斯战机使用等离子体隐身”这一说法，除此之外，即使是热爱军事的朋友，对这方面的了解也比较有限，等离子体距离我们的生活实在是太遥远了。究竟什么是等离子体，除了“战机隐身”，它在航空航天领域又有哪些应用呢？

据空军工程大学何立明教授介绍，等离子体是一种非固态、非液态、非气态物质，而是属于电离状态的物质第四态，在宏观上呈电中性，其运动主要受电磁力的支配，并表现出显著的集体行为。目前，在航空领域的等离子体研究主要集中在隐身和空气动力两个方面。

记者了解到，曾有报道称，等离子体在航空动力上，可以有效地提高燃烧稳定性和燃烧效率，且能极大改善航空发动机压气机增压比升高后的工作稳定性；而在飞机气动力上，等离子体可以减少飞机阻力，增加升力，提高战机的失速攻角和机动性。例如在航空发动机上，风扇、压气机是航空涡扇发动机的核心部件，提高发动机的推重比，增加压气机的增压比是有效方法之一，随之带来的问题则是压气机出口面积急剧缩小、效率严重降低，而通过在压气机的特定位置上布置等离子体激励装置，则会有效改善压气机内气体的流动效果，降低分离损失。

美国、前苏联等军事强国上世纪60年代便开始了等离子体研究，近年来，俄罗斯在等离子体技术研究上屡获突破性进展，遥遥领先于其他国家。但在同时期，我国此方面的研究几乎为零。随着现代和未来新技术战机对飞机总体性能的要求不断提高，等离子体技术的不断发展和它在航空领域中所表现出的不可比拟的诸多优势，使其成为各国技术攻关的核心焦点，吸引了大批科研人员的目光，何立明也在其中。

2002年以来，何立明带领团队，在国内开始了发动机尾喷口等离子体红外隐身技术以及备受关注的等离子体强化燃烧技术研究，为推动我国航空航天事业的发展作出了重要贡献。

过去：起步晚 待突破

据了解，等离子体强化燃烧技术包括等离子体点火和助燃技术两方面。早在20世纪70年代，等离子点火技术就引起了各国专家的广泛关注，但由于当时的技术条件限制，其研究仅限于工业燃烧方面。“近年来，随着燃烧动力学和其他高科技的发展，等离子体点火与助燃技术逐渐受到航空航天动力界的重视。”何立明说，“等离子体点火的高温、射流和化学效应以及等离子体助燃所产生的化学、温升和气动效应能显著提高火焰的传播速度、强化在燃烧室内的燃烧过程，对提高航空发动机在恶劣条件下（空中再次起动）的起动可靠性，提高燃烧性能，增强燃烧的稳定性和减少对大气环境的污染具有重要作用和意义。”

记者了解到，2005年，美国将等离子体动力学列为美国空军未来几十年内保持技术领先地位的六大基础领域之一，同时美国空军推进系统研究实验室还将等离子体助燃列为未来先进发动机技术之一，而俄罗斯也开展了大量实验室原理实验。有报道称，俄罗斯和美国等航空发达国家已经研制出等离子体点火器，并在航空发动机上进行了高空点火试验。

何立明表示，国内等离子体点火与助燃方面的研究工作始于20世纪80年代，主要集中在燃煤设备（电站锅炉）的启动和助燃应用。一些高校、科研院所和锅炉制造厂等相继投入大量人力和财力，研究开发燃煤锅炉等离子点火和稳燃技术，并进行了数值模拟以及一些原理性的实验研究。自2007年起，空军工程大学才在国家自然科学基金及其他相关项目的资助下，结合重点实验室建设，开始探索等离子体点火与助燃的机理，建立了实验系统并进行相关实验研究。

何立明说：“我国等离子体点火与助燃研究起步比其他国家晚，技术基础也比较薄弱，特别是等离子体点火与助燃技术在航空发动机燃烧室中应用的关键技术还有待进一步突破。可以预见的是，如果突破了这个关键技术，将会为解决制约航空装备发展的瓶颈问题提供重要的基础支持，并能从根本上提升我国航空等离子体研究的创新能力。”

现在：缩短差距

等离子体点火具有等离子体射流核心温度高等技术优势，点火能量大、火舌穿透力强，可显著提高点火可靠性，缩短点火延迟时间，特别是有可能取消加力燃烧室的火焰稳定器，进而显著缩短加力燃烧室的长度，提高发动机推重比。但目前我国在等离子体强化燃烧技术研究方面，仍然面临诸多困难和挑战。比如，如何使燃烧室的工作范围足够大，在高温、低温或者高空小表速情况下也能可靠点火、稳定燃烧；如何在缩短激励燃烧长度的同时，能保证可靠点火、稳定燃烧，还能保证等离子体点火驱动电源和助燃激励电源的小型、轻型化和工作的可靠性等等，这些都是当下需要着重考虑的问题。

据悉，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已经将磁流体和等离子体动力学列为“面向国家重大战略需求的基础研究”中的“航空航天重大力学问题。”“当务之急是要加强对等离子体技术的研究，努力缩短与发达国家之间的差距，并学习国外的先进技术，尽快实现等离子体技术在我国航空航天领域中的应用。”何立明说，“航空等离子体动力学国家级实验室的成立，很好地证明了国家对等离子体技术在航空领域应用研究的重视，科研人员应好好把握此次机会，推动我国等离子体技术在航空领域的快速发展。”

作为等离子体强化燃烧技术研究课题组组长，何立明带领团队在国家的资助下，开展了一系列研究：如进行了在燃烧室中产生等离子体的条件、机理、方法的理论分析、参数控制及实验测试方法的研究，等离子体助燃效果计算、等离子体点火与助燃过程的数值仿真和影响因素分析，建立并完善了等离子体点火与助燃实验系统，设计了原理性实验的等离子体点火器，进行了点火特性实验，为等离子体强化燃烧研究奠定了初步基础。

不仅如此，何立明课题组还设计了原理性实验的等离子体助燃激励器，并进行了激励特性，激励器几何参数、激励参数优化，助燃特性实验和助燃效果分析，获取了一批重要的一手资料。在理论分析的基础上，课题组建立了等离子体点火与助燃条件下的燃烧室三维流场数值计算模型，计算、分析了等离子体点火与助燃的机理和参数变化对等离子体点火与助燃的影响规律。为开展基础性实验研究，研制出了用于航空发动机燃烧室的验证性等离子体点火驱动电源、点火器和助燃激励器，为进行航空发动机燃烧室实验件的地面和高空模拟验证实验奠定了技术基础。

近年来，何立明课题组以等离子体动力学、燃烧学和飞机推进系统原理为理论基础，围绕提高航空发动机动力装置燃烧室的点火可靠性，扩大稳定燃烧范围，开展等离子体强化燃烧技术研究，极大地推动了国家重点学科“航空宇航推进理论与工程”的建设和发展。2005年，以课题组成果为重要支撑的“建设特色鲜明学科专业培养新型军事航空工程人才”教学成果荣获国家教学成果二等奖；2006年，《航空燃气涡轮发动机原理》网络课程获全军优秀网络课程一等奖；2007年，《飞机推进系统原理》课程教材获得国防工业出版社“优秀图书”二等奖，2008年，此课程被评为国家精品课程。

“我们所取得的这些成果和奖励都有力地说明，经过一批科研人员的共同努力和近几年的大力建设和发展，我国等离子体技术的研究队伍和平台已初步建立。而国家级实验室的成立，更是推进我国在航空动力发展领域实现理论和技术创新的重要举措，也为国内相关领域发展学术研究和交流活动提供了共享平台。接下来我们要做的是开展更为深入的研究，突破目前仍然存在的瓶颈，拓宽我国等离子体技术在航空领域的发展局面。”何立明表示。

未来：争做后起之秀

一直以来，美国、俄罗斯等技术发达国家对航空等离子体动力学与技术研究十分重视，在这方面的投入也是大手笔，目前他们已经取得了一批具有重大影响和作用的成果。在国外，激光冲击强化、强流脉冲离子注等技术已经在工业上得以应用，且产生了巨大的军事、经济效益。不仅如此，这些国家的等离子体点火、低速等离子体流动控制技术已经完成试飞。而国内只有激光冲击强化实现实际应用，等离子体点火实现地面应用，其他技术只进行到原理研究或实验室验证阶段。

何立明说：“目前看来，我国与发达国家之间确实存在不小差距，但要想成为后起之秀也不是不可能，这需要有上至国家，下至科研院所、高校的支持和共同努力。去年等离子体动力学国家级重点实验室在空军工程大学挂牌成立，足以显示我国已经进入航空动力、飞行器气动力研究的前沿领域。未来，我国应大力发展航空等离子体动力学与技术研究，从而为航空装备研制和维修提供重要的技术支撑。”

我们相信，随着我国在等离子体动力学研究上的不断深入，中国在研制大推重比先进航空发动机的技术积累方面，将会更为深厚，从而也会为先进战机、航天飞行器等装备的发展奠定坚实基础。

论航空技术中的航空数字测控技术 篇4

我们把地球大气层内的一些活动统称为航空活动, 测控技术就是测量和控制, 航空中的测控技术主要是只对火箭、卫星等飞行器的跟踪和探测, 如果能够实现精确的测量, 再采取一定的控制手段, 就能够极大地提高工作效率。

2 航空数字测控技术概述

在航空技术发展的带动下, 航空测控技术随之发展起来。二十世纪初期国外航空技术研究者已经开始了对测控技术的研究, 而我国受经济和科技水平的限制, 在上世纪八十年代才开始对航空测控技术进行研究。航空测控技术是一项复杂的航空科学技术, 其研究过程涉及大量的数据计算, 因此航空技术的发展需要高科技设备的支撑, 传统的人力计算是无法满足研究需求的。我国在航空技术的发展初期, 缺乏与国外先进国家的技术交流, 发展速度十分缓慢, 计算机水平与发达国家存在较大差距, 当时还没有形成超级计算机的概念, 所以数据的获取和处理还是通过计算机计算完成的。近年来, 随着集成电路和超集成电路的发展, 电子行业的发展实现了极大的技术突破, 在电子行业的推动下, 航空测控技术也实现较大的飞跃。

通常我们将航空测控技术分为两类, 即飞行器轨道数据的测量以及工作状态等参数的测量。我国的航空技术在经过长期的技术和实践研究后, 取得了较快发展, 航空测控技术达到了世界先进水平。多年前, 我国采用的测控设备和技术大部分都是引进西方发达国家, 而西方国家实行技术封锁, 难以与其进行技术交流。前苏联和俄罗斯对我国航空技术的发展起到了极大的促进作用, 俄罗斯先进的空气动力学使其成为航空领域当之无愧的老大。目前我国的航空技术仍然存在技术优于材料的现象, 在航空测控设备水平上, 还与发达国之间存在一定的差距。

3 航空数字测控技术现状及发展趋势

3.1 航空数字技术现状

我国的工业和科学技术水平已经达到世界先进水平, 作为世界第二大经济体, 我国在航空领域取得了极大的技术突破。数字测控技术在科学发展的多个领域取得了广泛的应用, 在此形势下, 数字测控技术自身取得了较快发展。美国以先进的数字测控技术为支撑, 具备很高的航空水平, 如今的飞行器能够到达火星来实现科学技术的研究, 例如GPS导航系统具有极高的精确性, 是航空领域的一个重大技术发明。因此我们可以得出, 数字测控技术是航空技术中的重中之重, 我国充分认识到了数字航空测控技术的重要性, 对此投入了大量的人力物力, 从国外引进了先进的设备和技术, 经过大量的实践探索和研究, 取得了一定的成绩, 但是仍然有大量先进的数字测控技术没有应用到实际航空领域中去。目前航空中数字测控技术的应用主要有以下两方面:

3.1.1 航空控制程序

数字测控技术的应用离不开技术人员的实际操作, 人工智能和自动化技术的发展使得电子设备的自动运行成为了现实。在设定好轨道路线后, 飞行器能够沿着预定的轨道飞行, 智能控制芯片是电子设备自动运行的关键, 在智能芯片内写入控制程序后, 来执行相应的命令。随着信息技术水平的不断提高, 电子设备越来越复杂, 相应的控制程序也就越复杂, 因此对程序写入人员的要求越来越高, 不仅掌握设备操作流程, 还要熟悉程序的结构和模块设计情况。

3.1.2 数字测绘技术

数字测绘技术作为一项新的信息技术在航空领域取得了普遍的应用, 与普通的纸制地图相比, 电子地图具有方便快捷、使用效率高的特点, 对于周围地点的搜索更加精确。在飞机等航拍设备的协助下, 地图的精度得到了保障。数字测绘技术不仅能够用于绘制地图, 还可以用于地质的勘测。但是由于数字测绘技术应用成本较高, 而且技术尚不成熟, 其应用效果并不理想。我国在引入了国外先进的测绘设备和技术后, 结合我国实际情况进行一系列的实践研究, 完善了测绘方式, 一定程度上促进了我国数字测绘技术的发展。

3.2 航空数字技术发展趋势

3.2.1 大力发展基础技术

作为一项精密电子技术, 航空测控技术离不开集成电路、数控技术、数字信号处理技术等, 因此要加强对这些基础技术的研究和发展。数控技术是一项重要的自动化控制技术, 在电子时代的今天, 大部分电子设备应用领域离不开对设备位置、速度等参数的精密控制, 这种高精度的控制需要靠自动控制技术来实现。数控技术是航空测控技术的一项基础技术, 外部飞行轨迹以及内部温度调整等都离不开数控技术, 因此要提高对数控技术的重视程度。

3.2.2 发展通用的航空测控设备

在航空测控中, 会根据不同的测控目标来建立相应的测控系统, 虽然目前市场上已经出现了一些测控系统, 但是这些系统在实际应用中受限制的因素较多。针对性较强的测控系统使用起来非常不便, 我们不能因为一次航空探测任务而采购或者设计一个系统, 这样会造成人力和财力的浪费, 要想改变这种局面, 就要加强测控技术和相关设备的通用性, 设计出一个测控标准化通用系统, 来提高系统应用的适应性。

4 总结

航空技术是一项重要的尖端技术, 航空技术中的航空数字测控技术又是航空技术中的关键性技术, 因此, 我们要加强对其的研究和应用, 发展好集成电路技术、数控技术、数字信号处理技术等基础技术;加强对航空测井技术设备的研发创新, 设计出通用的航空测控设备, 促进我国航空事业的发展。

摘要：二十世纪, 航空数字测控技术的出现对航空事业的发展起到的极大促进作用, 全世界范围内也对该技术引起了高度重视。航空技术是上世纪最为重要的科学技术之一, 也成为了衡量一个国家科技水平的一个标志。本文在介绍了航空数字测控技术的基础上, 分析探讨了航空数字测控技术的现状以及未来的发展趋势。

关键词：航空技术,数字测控技术,现状,发展趋势

参考文献

[1]孙先逵.远程测控技术的发展现状和趋势[J].仪器仪表学报, 2004.

[2]曲卫.我国航天测控系统体制与技术现状以及发展[J].科技信息, 2010.

[3]微凉, 七丁.航空测控技术与设备应用调查报告[J].航空制造技术, 2008 (02) .

航空航天技术论文 篇5

摘要:本文扼要引见航空航天范畴热防护技术的开展概略，重点引见碳/碳复合资料、多孔纤维陶瓷资料、陶瓷基复合资料、热涂层技术、隔热资料、轻质烧蚀资料等，并对热防护技术的开展趋向作扼要评述。

关键词:热防护技术; 碳泡沫资料; 多孔纤维陶瓷; 陶瓷基复合资料;热障涂层 ;隔热资料; 轻质烧蚀资料

前言

在航空航天范畴，航天飞行器以高马赫数穿越稠密大气层飞行，飞行器外表会产生严重的气动加热，容易产生热损伤。因而热防护技术是航空航天范畴至关重要的关键技术之一。

在航空航天范畴，热防护主要采用防隔热资料的方式。下面扼要引见目前比拟前沿的几种防隔热资料，轻质烧蚀资料、碳泡沫资料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合资料、无机纤维隔热资料等的开展现状与应用。

1热防护资料开展概略

烧蚀类热防护资料发张历史较长，应用较普遍，如以纤维为加强填充资料的纤维加强酚醛资料和以酚醛树脂为粘合剂的热防护复合资料。目前应用最普遍的是纤维加强酚醛资料[1]。传统的烧蚀热防护是以牺牲热防护资料质量来换取防热的效果，无法应对当今航天器外形不变的请求，于是提出了非烧蚀资料的概念。非烧蚀资料是一种能够反复应用的新型热防护资料。关于该种资料来说，提高极限运用温度和高温性能、提高标明抗辐射、抗氧化才能、防隔热一体化和能量引导耗散机制的分离是目前研讨的热点和重点[2]。

因而下面将先简单引见一下轻质烧蚀资料，然后重点引见几种非热烧蚀资料，如碳泡沫资料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合资料、无机纤维隔热资料以及热涂层技术。

2 轻质烧蚀资料[3]

2.1 基体资料。基体是烧蚀资料的主要组成局部,不只能将资料中的各种组分分离成型，其性能好坏还直接影响整体构造性能。轻质烧蚀资料的基体资料普通包括弹性体和树脂基体两大类。

弹性体基体主要是各种橡胶及其混合物。硅橡胶具有延展率高、耐烧蚀和抗高温燃气冲刷的性能优点。但是，硅橡胶有密度较高、机械强度低和界面粘性差等缺陷，因而应用遭到一定限制。为此，研讨人员对硅橡胶进行了大量的改性研讨，其中改性的开展方向之一是共混改性,使烧蚀后碳层愈加致密、巩固，提高了烧蚀性能。

树脂基体烧蚀资料普通具有高芳基化、高分子质量、高C/O比、高交联密度，高残碳率等特性，是一类性能优良的烧蚀资料。目前较为成熟的树脂基体主要有硅树脂、酚醛树脂以及新型的聚芳基乙炔树脂等。

2.2 填料。作为烧蚀资料另一重要组成局部，填料主要起着提高烧蚀资料的机械性能、降低绝热层的`导热系数、提高隔热效率、加强碳化层耐高温燃气冲刷性能和降低烧蚀率等作用。

3碳泡沫资料

碳泡沫主要有两种形态：一种是韧带网络型泡沫，另一种是微球型碳泡沫。

3.1韧带网络型泡沫。韧带网络型碳泡沫是一种石墨加强韧带网络型泡沫资料。该泡沫以沥青或聚合物等作为先驱体,经过石墨化和高温炭化处置,将无定形碳转化为多孔石墨韧带微构造,构成网状泡沫韧带,其性能与构造优于现有的碳/碳复合资料[1]。该种碳泡沫资料具有以下特性：一是泡沫和韧带是恣意排列于三维空间，因而具有各向同性的力学性能;二是韧带具有纤维构造的性能特征。并且这种碳泡沫资料的热导率大约是铜的6倍，是一种良好的导热泡沫资料。

3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高残碳树脂或中间相沥青为先驱体，先制成几何尺寸为微米的纳米级的空心微球，再用恰当的树脂作粘合剂将其注模成型，在氮气和氩气的氛围中经1100D2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球构造的碳泡沫，当将其从室温高速加热到3100℃时，这种资料依然具有良好的力学性能，导热率较低，且由于微球大多是开孔的，力学性能欠佳。但用甲阶酚醛树脂为原型，经过微胶囊法先制备出酚醛树脂空心微球，注模成型，再经过碳化和石墨化处置，所制得的碳泡沫资料中的微球均是闭孔的，隔热性能和力学性能更为理想。

4多孔纤维陶瓷

多孔陶瓷具有化学性质稳定、比外表积大、耐热才能强、密度较低、刚度高、热导率低等优点,并且在力学、化学、热学、光学、电学等方面具有共同的性能,目前在别离过滤、换热、载体、蓄热、吸声隔音、隔热、曝气、电极、传感器、生物植入等诸多方面都有着普遍的应用。在航空航天范畴也不例外,如热防护系统中应用多孔陶瓷热障资料,在飞行器外壳隔热、发汗冷却构件、燃气轮机高温合金部件外表热防护等方面,可起到低金属外表温度、提高燃气工作温度、改善燃气效率、延长热端部件运用寿命的重要作用。

多孔纤维陶瓷具有各向异性的导热性能，有很多应用。作为热防护资料的陶瓷热障，因其导热的各向异性，在厚度方向上热导率较小，在垂直于厚度方向上的热导率较大，可以起到隔热和均布外表温度的效果,依据文献[4]中的计算和实验标明，多孔纤维陶瓷资料在一个方向的热导率是另一个方向的3倍左右，因而在厚度方向能够有效隔热的同时，还能够在外表方向上均布温度场，能十分有效的避免部分高温的呈现。

5 陶瓷基复合资料

陶瓷基复合资料是在陶瓷集体中引入第二相资料所构成的的多相复合资料。在陶瓷中参加纤维能大幅度提高资料的强度、改善陶瓷资料脆的缺陷，并提高运用温度。因而陶瓷基复合资料不只具有陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀的优点，同时由于纤维的引入，时其具有相似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，克制普通陶瓷资料脆性大、牢靠性差的致命弱点[5]。

克制陶瓷脆性的办法主要包括连续纤维增韧、想变增韧、微裂纹增韧以及晶须晶片增韧等。其中连续纤维增韧碳化硅基复合资料是目前最受关注的陶瓷基复合资料。

连续纤维加强陶瓷基复合资料具有高比强、高比模、高牢靠性、耐高温等优点，曾经成为军事、航天、能源等范畴理想的高温构造资料。主要应用于发起机熄灭室、喉衬、喷管等热构造件以及飞行器机翼前缘、控制面、机身顶风面、鼻锥等防热构件。

6 无机纤维隔热资料

隔热资料分为刚性隔热资料和柔性隔热资料，其中刚性隔热资料的研讨曾经根本成熟，这里主要引见柔性隔热资料。

近几年比拟受关注的新型隔热资料有：纳米隔热资料和功用梯度资料。

纳米隔热资料由于其共同的微构造特征赋予了资料极端优良的隔热性能 。 艾姆斯研讨中心、马赛尔空间飞行中心和肯尼迪空间中心分别展开了纳米隔热资料的研讨工作。在时纳米隔热资料的研讨就曾经到达了相当成熟的阶段。 在适用化方面，纳米隔热资料曾经胜利应用于火星探测器的个别温度敏感部件及星云捕获器上。此外德国、瑞典、以色列、日本等国也展开了新型纳米隔热资料的研讨工作。目前曾经报道的常温常压下纳米隔热资料最低的热导率为0.013 W/ (mk)，比静止空气的低一半。有材料报道的纳米隔热资料的运用温度普通都小于500 ℃，机械强度比拟差。进一步提高纳米隔热资料的运用温度及其它综合性能将是今后研讨工作的重点。

功用梯度资料的是由日本学者平井敏雄等在20世纪80年代首先提出的,他们最初打算将该资料应用于航天飞机的热防护系统和发起机的热端部件。功用梯度资料一种其构成资料的要素组成和构造沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使资料的性能也呈梯度变化的新型资料。功用梯度资料在处理航空航天资料耐热性、短命命、隔热性和强韧性等特性时显现了非常宏大的应用潜力。在导热系数到达设计请求的前提下，它能克制多层热防护资料之间的层间缺陷和小块资料之间衔接艰难的缺乏。这应该是会成为将来航空航天热防护系统新一代的隔热资料。

7 热障涂层技术

当今航空发起机的主要开展方向之一是提高发起机涡轮行进口温度，以此来提高发起机的热效率。但随着涡轮行进口温度的提高，发起机热端部件所禁受的燃气温度和燃气压力不时提高。从上世纪40年代到上世纪末，航空发起机的工作温度快速上升，燃气温度已超越 1650 ℃。估计很快将到达1930℃。这样高的温度曾经大大超越现有合金的极限工作温度，因而，必需采用相应的措施。

一方面，能够向上面提到的一样继续研制新型高温资料，提高高温合金的耐热性能;另一方面，采用先进的冷却技术，如叶片冷却气膜设计及制造工艺的改良。在过去的50多年中，隔热资料对提高发起机工作温度曾经做出了很大奉献。但是在当前运用的发起机的工作温度下，燃气温度已超越镍基合金的熔点，基体资料自身以及发起机构造设计的改良使高温合金以至单晶高温合金简直已到达其耐热极限，因而要想经过合金资料大幅度提高热端部件、特别是叶片的工作温度曾经极端艰难。70 年代先进气膜冷却技术也由于高性能发起机的开展，发起机中可用冷气流量越来越少，依托气膜冷却技术进一步提高降温效果已没有太大的空间。在这种状况下，为了满足先进航空发起机对资料更苛刻的性能请求，热障涂层技术得到了普遍的应用和开展。

热障涂层是有导热性较差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底层组成的防热系统，能够明显降低基体温度，具有硬度高、高化学稳定性等优点，可以避免高温腐蚀、延长热端部件的运用寿命，提高发起机功率和减少燃油耗费。

热障涂层的制备技术主要有：常规等离子喷涂、高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、电子束物理气相堆积等[6]。

目前，已获实践工程应用的双层构造热障涂层的资料体系主要由4个资料基元组成：高温合金基体、陶瓷层、基体与涂层间的金属粘结层及在陶瓷涂层与过渡层之间构成的热生长氧化层(以氧化铝为主要物质成分)。其中，合金基体主要接受机械载荷;陶瓷涂层是隔热资料;粘结层在涂层受热和冷却过程中能缓解基体与陶瓷层的热不匹配。在热循环载荷作用下，各资料基元间遵照动力学原理互相作用，以动态均衡方式控制整体资料的热力学性能和运用寿命。

8完毕语

航空相机纵向像移补偿性能检测 篇6

像移补偿机构是航空相机的关键组件。通过建立航空相机纵向像移量、像移速度模型，分析研究纵向像移补偿机构对像移补偿残差的影响特征，提出了运用像移补偿残差做为纵向像移补偿机构故障检测的新方法。经过对实际图像像移残差的实验分析，验证了该方法的有效性，可以实现工作状态下对航空相机的便捷随检。

关键词：

航空相机； 像移补偿； 像移残差

中图分类号： V 556文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.002

引言

航空相机在成像过程中，会受到各种外部环境的影响，如：温度、气压、载机平台运动、气流扰动等，这些因素严重影响相机动态分辨率的提高。特别是由于飞行运动、俯仰、横滚和偏流等姿态运动，这种造成图像像点运动模糊的现象称为像移。为消除像移，相机系统有各种像移补偿措施，如旋转双光楔补偿、移动焦面补偿、摆动反光镜补偿、TDICCD电子补偿、稳定平台等。相机像移补偿机构的性能严重影响成像质量，因此在设计、验收和使用的各个阶段对这类机构性能的检测尤为重要。目前的检测方法多应用在研制设计、验收阶段，在实验室采用特定仪器或靶标进行测试。如王智儒等研究设计了航空相机像移补偿板的检测仪器；李岷等提出了一种动态靶标方案对机载光电稳定平台的静态、动态参数进行测试。本文通过对成像图像中像移残差的分析，提出利用像移残差估计做为相机纵向像移补偿机构性能检测的新方法。

3纵向像移补偿机构性能检测分析

由纵向像移速度公式（7）可以看出，像移速度由三项叠加组成，第一项为速高比影响，所占比重较大，

第二、三项分别为俯仰角速度、偏流角速度引起的纵向像移，各项像移速度的方向分别与飞行方向、角速度方向相同。表2给出了几种飞行状态下的像移量。

相机纵向像移补偿机构的性能要求像移补偿残差ΔS应满足不大于1/3像元的要求。像移残差过大将造成成像质量下降。表2中的数据给出了不同飞行状态下的像移量情况，综合分析表2中数据，可以看出像移补偿残差能准确反映反射镜像移补偿机构的工作情况。下面从反馈通道、姿态角速度陀螺、余弦电位计、速高比DA转换、前向控制通道5种情况进行分析。

（1） 反馈通道

当补偿电机负反馈通道出现故障，如反射镜速度陀螺故障，引起控制系统的负反馈信号缺失，造成较大的过度补偿，使得剩余像移量较大，且像移方向与原有像移方向相反，一般情况下与飞行方向相反。同时由于受到扰动的影响，补偿的稳定性很差，造成多帧图像对比分析时像移残差的一致性很差。因此根据此类特点，可以判定速度反馈通道故障。

（2） 姿态角速度陀螺

姿态角速度陀螺是感测载机平台的俯仰角速度、偏流角速度以及扫描角速度数据，消除俯仰角速度、偏流角速度引起的纵向像移。对不同扫描角的多帧图像对比，一般随着扫描角增加纵向像移量减小。但当载机平台的偏流角速度ψ′较大时，根据表2第5行数据分析可知，姿态角速度引起的纵向像移量随着扫描角增加而增加。因此当缺少姿态角速度陀螺信号时，像移残差大小取决于θ′、ψ′造成的像移量，当偏流角速度ψ′较大时，具有纵向像移量随着扫描角增大的特点。

（3） 余弦电位计

相机摆扫成像时，余弦电位计随动旋转提供（v/H）·cosα的补偿信号。当余弦电位计故障时，会出现给定的速高比补偿数据固定不变的问题，表现为不同扫描角下的图像像移残差不同。因此通过分析同次照相的不同帧图像，如果出现纵向像移残差不同的现象，可以判定余弦电位计故障。另外根据像移残差数值大小还可进一步分析，若残差过大且接近v/H引起的纵向像移量，这是由于电位计上端引入v/H的电压信号断路引起；若扫描角为0°时残差很小，而大扫描角的帧图像像移残差略大，是由于电位计下接地端出现断路引起。

（4） v/H信号DA转换

相机反射镜补偿控制器输出v/H数字信号，经DA转换后做为余弦电位计供电电压，从而产生包含扫描角信息的v/H补偿控制信号。当DA转换模块故障时，使得反射镜补偿控制不能随飞行速度、高度的变化准确补偿，反映在成像图像中，会出现较大的图像纵向补偿残差，且残差值不随v/H条件改变而改变。

（5） 前向控制通道

反射镜补偿控制系统的前向控制通道包括直流电机、PWM功率放大环节、以及超前滞后校正控制环节等组成，与补偿速度给定环节（v/H、θ′、ψ′信号）以及反馈通道一起构成纵向像移补偿的速度闭环控制系统。如果前向控制通道性能出现问题，使得反射镜补偿角速度不能准确反映补偿速度的给定值，出现图像的像移残差超标。因此，当载机平台在不同v/H、俯仰角速度θ′及偏流角速度ψ′时，都会出现较大的像移残差问题，可以作为前向控制通道性能故障的判断依据。

4实验分析

当纵向像移补偿机构不正常时，航空成像时的像移补偿残差会造成图像运动模糊，运用图像运动模

糊估计技术可以检测到像移残差的大小，从而实现对相机补偿机构性能参数、故障点的确定。图4中（a）、（b）、（c）的三帧图像为某次航空摄影中同次摆扫成像所得，对应的扫描角分别为0°、20°、35°，通过相机工作条件数据可以理论分析出三帧图像的理论纵向像移量（见表3）。对图4中三帧图像在频域内进行Radon变换[89]，求得沿运动模糊方向上的Radon变换曲线，分别为图4中的（d）、（e）、（f）所示，可以计算出三帧图像的像移残差分别为74.1 μm、97.5 μm、118.3 μm。检测值与像移量理论值的θ′、ψ′合计项相近，且随扫描角增加而增加，因此可以判断相机的纵向像移补偿机构中姿态速度陀螺出现故障。

5结语

像移是影响航空相机成像的重要因素，像移补偿机构是航空相机工作的关键组件，在设备使用中是定期检修的重要部分。纵向像移补偿机构各组成部件的工作性能影响了补偿精度，最终成像图像会产生不同的像移补偿残差。本文提出了利用图像补偿残差检测纵向像移补偿机构性能的新方法，避免了常规检测时对检测仪器的依赖和设备拆解等繁琐操作，实现了在工作状态下的随检，具有好的推广应用价值。

参考文献：

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农业航空植保技术现状 篇7

我国的农用航空事业开创于20世纪50年代初, 近30年来在新疆、东北等省大面积使用了有人驾驶固定翼飞机进行喷洒农药等作业。但长期以来, 由于经济和低空飞行管制等原因, 我国农用航空的应用水平发展缓慢, 作为农业航空主要应用于农药施药的技术研究也相对落后。由于无人机可超低空的起降与飞行, 规避了低空飞行管制的问题, 近几年人们已开始关注无人直升机在农业上的应用研究。

一、农业航空应用现状

农业航空在发达国家发展比较快, 以美国和日本为代表, 由于土地经营规模不同, 美国农业航空作业机型以固定翼的有人飞机为主, 日本则以轻型直升飞机航空喷雾设备为主。

美国是目前农业航空装备技术最先进, 应用最广泛的国家, 农用航空的发展已有90多年的历史, 从1906年, 美国在俄亥俄州使用飞机喷洒化学药剂消除牧草害虫成功开始, 航空技术在美国农业生产中不断得到推广应用。1923年Huff-Daland飞机制造公司在其原有机型的基础上进行改进, 制造出了第一台应用于农业领域的飞机, 并在乔治亚开始了农业航空作业商业化服务。1928年, Huff-Daland公司把旗下的农业航空部门出售给南方商业集团, 从此成立了第一家农业航空服务公司———达美航空服务公司, 这就是美国现在第三大航空公司达美航空公司 (Delta Air lines) 的前身。达美航空服务公司成功的运营了农业航空作业的相关业务, 包括:飞行员培养、飞机维修与维护、作业技巧并提供昆虫学知识等方面服务。至50年代中期, 航空技术在美国农业领域中的应用得到了蓬勃发展。美国农用航空作业项目主要包括:播种、施肥、除草、灭虫等。农用飞机空中作业效率高, 一般麦田灭草, 比地面机械效率高5~7倍, 相当于人工喷雾的200~250倍;突击能力强, 利于消灭暴发性病虫害;不受作物长势的限制, 利于作物后期作业。与地面机械田间作业相比, 使用农用飞机作业还有降低作业成本、不会损坏农作物的特点, 因此很受美国农场主的欢迎。美国现有农业航空公司2 000多家, 其中包括飞机和航空材料生产厂500多家, 大型农业飞机制造企业有4家, 其中空中拖拉机公司 (Air Tractor, Inc.) 的产品占了农业飞机市场的大部分份额。美国农业飞机大约有20多个品种, 分别为单翼、双翼和直升飞机。带固定翼飞机大多数使用星型活塞式发动机, 而且多为后三点式飞机, 飞机的安全性能较高, 抗坠毁性好。根据载荷的不同, 农用飞机还分为大型和中小型两类, 大型旋风式农用飞机载荷为1.5 t, 中小型为0.5~1 t, 一般飞机价格为100万~140万美元。目前美国在用农业飞机4 000架左右, 注册农业飞机驾驶员3 000多名, 年处理耕地面积近3 400万hm2, 占美国年处理耕地面积的25%, 森林植保作业100%采用航空作业方式。随着精准农业技术的发展, 一些不同类型的精准农业技术包括全球定位系统 (GPS) 、地理信息系统 (GIS) 、遥感系统 (RS) 、作物生产专家管理系统和新类型的装备及部件, 这些精准农业技术能够造福农业航空业经营者和为农民节省时间和金钱。

日本是一个人口多、耕地少的国家, 农家每户平均耕地面积较小, 农业以兼业农户比例大 (占农户总数的84%) 为特点, 粮食作物以水稻为主。据日本农林水产省统计报告, 2012年, 农林航空作业面积达349.5万hm2, 其中农用轻型无人直升飞机, 由于具有作业效率高、单位面积施药液量小、农药飘移少等优点, 其作业面积, 已从1997年的20万hm2增加到100.7万hm2, 年均增长近30%, 无人机2 458架, 无人飞机操控手有14 967人。采用农用无人驾驶轻型直升飞机进行农业生产已成为发展趋势之一。

我国从1951年开始用飞机参加防治东亚飞蝗、护林防火和播种造林等工作。1956年中国民用航空局设立专业航空机构, 开展多种农业航空业务。目前, 已有6个机种400多架飞机在我国东北及新疆等地, 以及大面积的垦区和农场从事农业航空工作。另外, 我国林业作业面积也逐年上升。我国农林作业主要机型包括“农业5”、“Y5B”、“Y1l”、“海燕650B”等固定翼飞机。至2012农林业航化飞行作业1.937万h, 主要在黑龙江、新疆、湖南、辽宁4个省区。农林业播种飞行0.2万h, 作业面积21.4万hm2。作为农业用途的无人驾驶轻型直升飞机在国内发展迅速, 飞机生产企业有中航工业、总参的一些单位如“解放军总参60所”、“沈阳自动化所”、“中航工业自控所”;有在引进国外微小型无人机型基础上, 开发的农用系列无人机型的私营企业, 如“珠海羽人”、“无锡汉和”等;有农药生产厂家与农机服务组织在原航模基础上开发的农业用途无人机, 如“河南田秀才”、“江苏克胜”等。

二、航空施药技术现状

施药技术是农作物病虫草害防控的重要组成部分。据统计, 全国范围内农作物病虫草害发生种类高达1 700多种, 可造成严重危害的有100多种, 全国农作物重大有害生物年发生面积70亿~80亿亩次 (1亩=0.067 hm2) 。根据联合国粮农组织 (FAO) 自然损失率30%以上测算, 在不采取防控措施的情况下, 每年农作物病虫害会给我国粮食产量造成损失1 500亿kg, 油料0.68亿kg, 棉花190多万t, 果品、蔬菜上亿吨, 潜在经济损失将达到5 000亿元以上。农作物病虫草害的防控贯穿于作物生长全过程, 防控的好坏直接影响粮食的产量与质量, 防控技术水平直接反映农业现代化物质装备水平。航空施药技术是指在飞机上挂接喷洒设备施药, 以实现空中病虫害防控, 具有作业效率高、单位面积施农药使用量少、应付突发性病虫害能力强等优点, 与地面机械田间作业相比, 飞机作业还有降低作业成本、不会留下辙印和损坏农作物的特点。因此, 国外一些先进国家发展较快。

1. 美国航空施药技术现状

美国土地经营规模大, 是世界上农业航空研究与应用最发达的国家。注重稻田水、肥、药的综合管理, 水稻病虫害防治全部采用航空施药, 作业效率高, 与农业信息技术结合紧密, 精细农业已进入实用阶段, 作业精准、高效, 对环境的污染低。其航空施药技术研究主要体现在:

(1) GPS自动导航技术 美国的农业飞机都配备精密仪器和设备, 如GPS (全球定位系统) 是很普通的装备。有的还配备流程控制、实时气象测试系统和精确喷洒设备。飞机上典型GPS系统, 由驾驶舱仪表板上的移动地图显示装置、键盘以及安装在仪表板最上面或者是驾驶舱外面机头位置的指示灯条组成。在施药作业之前, 施药计划者必须确定施药的一系列的边界, 一系列的边界点可以用手持GPS来测量。当这一系列的边界点加载到施药飞机的GPS接收器上, 形成一个施药区域地图, 在地图规划中会避免水道、池塘。在起飞之前, 飞行员会记录飞机的位置, 并启动排除已经施药区域, 然后GPS会规划出施药作业的航路图。GPS可以准确地使飞机沿着规定路线施药, 有效避免重喷和漏喷。系统还会记录施药路线、航路偏移情况、实际的喷洒量等, 大多数GPS系统都配有自动开/关喷洒装置, 操控者也可以选择手动操作。当药箱中的药液不够时, GPS会记录结束喷药的关闭点, 待药重新加载完成后, 飞机会从关闭点开始继续施药。大多数GPS系统在驾驶舱内都有一个显示屏, 可以实时显示喷药的地块、路线和飞机在已规划航路中的位置。这些实时显示, 方便了飞行员实时监控及修正。GPS获取的作业信息, 如飞机飞行轨迹、喷雾系统的开和关、飞行的速度等, 也可以输入到GIS系统中, 用来分析施药作业情况。这些信息也被作为一种合法的记录, 用于由于施药可能产生的纠纷处理中。

(2) 航空喷嘴的研究与应用 美国航空施药喷头根据雾化方式分, 主要有2种, 一种是液力雾化喷嘴, 一种是旋转离心雾化喷头。在美国, 典型的航空施药液力喷嘴是CP喷嘴系列, CP喷嘴可以提供多种孔径, 飞行员通过快速转换喷嘴来改变喷量, 通过快速调节喷嘴座实现喷头角度改变。另一种航空施药喷头是旋转式离心雾化喷嘴 (Micron公司制造) , 驱动方式有电动驱动和风力驱动两种型式。

(3) 喷嘴模型 位于美国德克萨斯州大学城的美国农业部南方研究中心, 害虫管理研究所的航空应用技术研究组发明的航空喷头模型, 可以通过喷嘴型式、喷雾压力、气流速度和喷雾药液来预测会产生的雾滴谱。目前, 航空喷嘴模型不仅给使用者提供作业依据, 还作为EPA、州监管部门及相关人员等评估喷雾作业雾滴谱范围是否符合农药使用标签规定的依据。

(4) 航空飘移模型 美国十分重视农药喷洒作业中雾滴飘移引起的环境污染问题, 对于航空施药已有明确的法律条文规定安全区域。目前, 飘移模型已成为决策是否允许航空施药和处理相关纠纷的重要手段。

2. 日本航空施药技术现状

日本从土地经营规模上讲, 与我国相似, 农业航空作业主要以病虫害防治、播种、施肥为主, 其中95%以上的工作量用于病虫害防治, 无人机作业量呈上升趋势, 作业机型以YAMAHA, RMAX为主, 喷洒效率7~10 hm2/h, 稻田农药用量7~30 L/hm2, 一架RMAX无人机1 d可喷洒农药80 hm2。从日本农林航空协会报告可以看出, 日本农林施药作业主要以水稻为主。施药技术研究主要集中在: (1) 作业条件, 如作业时间、气象条件等对喷雾沉积特性影响; (2) 飞行参数, 包括飞行高度和飞行速度等喷雾沉积特性影响; (3) 作业对象, 如田块、作物种类、作物生长期、防治目标等喷洒航路的设计优化等; (4) 低量喷洒药剂的研究, 并制定了完善的作业规范; (5) 病虫害航空遥感监测方面, 已有成果用于商业用途。

3. 我国航空施药技术现状

我国自1951年用飞机防治东亚飞蝗、护林防火和播种造林等工作后, 科技工作者开展了一些固定翼飞机喷洒作业研究, 国家民航总局制定了《农业航空作业质量技术指标》, 标准规定了:固定翼飞机从事农林牧业的喷洒作业 (常量、低容量和超低容量喷洒农药和化学肥料等作业) 的质量技术指标;固定翼飞机从事农林业的播洒作业 (飞机播树种、草种、稻种等项作业) 的质量技术指标。《飞机喷施设备性能技术指标》规定了飞机机载喷雾装备液压式喷头和旋转式雾化器喷洒性能的技术指标和要求, 以及机载喷雾设备喷洒性能保持性的检测, 同时还规定了农业航空飞机播种设备性能技术指标, 性能检测的技术指标等。黑龙江农垦郭庆才编著的《航空作业装备技术》, 对于固定翼飞机喷洒作业方式, 喷液量、喷雾雾滴粒径、防治时间、喷洒药剂选择等做了阐述。近年来, 一些国际上比较先进的施药技术如低量施药技术、静电喷雾技术、GPS自动导航技术、低飘移喷雾技术等技术研究已在一些研究所与大学开始进行。农业部南京农业机械化研究所等单位承担“十一五”国家863项目“水田施药作业的无人架驶低空低量航空喷施技术与装备创制”项目, 开展了低空低量低飘移施药技术研究, 在高精度GPS的无人驾驶自动导航低空施药技术研究方面取得突破性进展, 精确的航路规划解决了航空喷雾作业喷幅的精确对接, 提高作业质量;南京林业大学开展了航空静电喷雾技术研究等。国家农业信息化工程技术研究中心已开展了航空高光谱小麦条锈病遥感监测研究, 华南农业大学和浙江大学也开展了无人机水稻农田病虫害信息遥感监测研究工作。

航空视频图像定位技术 篇8

机载航空摄影主要特点是:几何分辨率更高, 视场角较大。因此, 位于扫描航片边缘的图像变形较大;另外, 航空平台的姿态远不如航天平台稳定。

但是, 航片获取的时效性很高, 图像分辨率相对于卫星遥感数据也比较高, 在很多对时间反应要求较高的应用领域, 航空摄影图像发挥着越来越大的作用。因此对于航片的处理有很高的实用价值。

系统几何校正是航空视频图像处理中的重要环节, 通常在遥感图像处理的前端。针对视频处理所采集的单帧视频图像, 并利用该图像对应的遥测数据, 建立几何校正模型, 对图像进行系统几何校正计算, 完成图像的系统级的初步定位, 校正因为传感器倾斜拍摄导致的图像像素的局部变形;系统几何校正处理关系到航拍图像的定位精度, 对于以后的地理精校正、情报应用处理等处理打下基础。

1 系统几何校正模型

本文利用坐标变换方法建立原始图像和输出图像的几何关系, 即几何校正模型, 其步骤如下:

① 建立从当地地理坐标系到相机的空间坐标系群;

② 完成各个坐标系之间的相互转换关系;

③ 把原始图像剖分成适当大小的矩形网格;

④ 根据坐标系转换关系建立几何校正模型;

⑤ 利用几何校正模型, 计算网格点 (i, j) 在WGS-84坐标系下的大地坐标 (LWGS-84, BWGS-84) ;

⑥ 利用 (LWGS-84, BWGS-84) 进行地图投影变换, 得到投影坐标 (Xi j, Yi j) ;

⑦ 再把 (i, j) 、 (Xi j, Yi j) 作为控制点, 利用多项式拟和方法, 对原始图像进行校正, 以下简称为“图像重构”。

1.1 系统概述

本文仅概述图像信息中与几何校正建模有关部分。图像信息获取由机载侦察设备 (光电平台) 完成。对于光电平台, 可以装载CCD光电摄像机 (简称CCD相机) 、前视红外热像仪 (简称红外相机) 。

飞机采用GPS和惯性导航系统进行组合定位、测量姿态;平台采用四框架两轴稳定。

1.2 坐标系

在几何校正模型中采用以下坐标系:

① 地球坐标系 (e系) , 采用WGS-84坐标系;

② 当地地理坐标系 (t系) ;

③ 机体坐标系 (b系) ;

④ 光电平台坐标系, 简称平台坐标系 (p系) ;

⑤ CCD相机坐标系 (c系) ;

设图像共Ic行、Jc列, 中心坐标是 (Ic/2, Jc/2) , 像元cp在图像中的行、列数分别为Icp、Jcp, 像元大小为lc×lc, 相机焦距为fc, 则其相应扫描角αc, 偏角βc, 根据画幅式相机摄像原理有:

(6) 红外相机坐标系 (h系)

设图像共Ih行、Jh列, 中心像元坐标是 (Ih/2, Jh/2) , 像元hp在图像中的行、列数分别为Ihp、Jhp, 像元为方像元lh×lh, 因为图像为正像, 则:其相应的扫描角αh和偏角βh, 则根据全景摄像原理有:

$\begin{array}{l}\alpha {}_h=\left(J{}_{hp}+16\times \left(\frac{1+(-1){}^{{\rm I}}}{2}\right)-\frac{J{}_h}{2}\right)\times \frac{l{}_h}{f{}_h}‚\\ \beta {}_h=-\text{t}\text{g}{}^{-1}\left(\left({\rm I}{}_{hp}-\frac{{\rm I}{}_h}{2}\right)\times \frac{l{}_h}{f{}_h}\right)。\end{array}$

1.3 坐标转换

系统校正的目的是利用目标图像和飞机位置、姿态, 以及平台的参数计算该目标在WGS-84坐标系中的大地坐标, 算法核心是对以上坐标系中进行准确的坐标变换。本文用到的坐标系变换有:

① 由地球坐标系到当地地理坐标系的坐标变换。其变换矩阵R1为:

式 (1) 和以下各式中的Rx (θ) , Ry (θ) , Rz (θ) , 分别表示绕X轴、Y轴和Z轴旋转θ角的坐标旋转矩阵。B0表示飞机当前纬度;L0表示飞机经度。

② 由当地地理坐标系到机体坐标系的坐标变换。其变换矩阵R2为:

式中, Ψ为航向角;θ为俯仰角;γ为横滚角。

③ 由当机体坐标系到平台坐标系的坐标变换。其变换矩阵R3为:

式中, η为方位角;ζ为平台滚动角。

④ 由平台坐标系到CCD相机坐标系的坐标变换。其变换矩阵R4为:

⑤ 由平台坐标系到红外相机坐标系的坐标变换。其变换矩阵R5为:

从CCD相机坐标系到地球坐标系的转换, 利用上述变换矩阵得:

从红外相机坐标系到地球坐标系的转换, 利用上述变换矩阵得:

1.4 激光测距的应用

如果在计算过程中, 光电平台上加载激光测距仪, 能够输出成像时刻的激光测距值, 校正计算的精度将大大提高, 尤其在较高海拔地区。

在原模型中未加入激光测距数据, 因此计算过程中, 默认拍摄地区海拔为0;当平台高低角不为0时 (平台相机光轴指向不是垂直向下) , 计算结果与实际地理坐标有很大出入, 如果海拔较高, 该误差将非常明显, 这样的图像定位结果将无法实际使用。如果加入激光测距, 可以有效计算拍摄图像地区的海拔高度, 降低原模型误差。

1.5 图像输出

建立系统校正模型后, 输入划分的图像网格点坐标, 输出投影坐标。这些点的图像坐标和投影坐标形成一组控制点集, 使用该控制点集, 对原始图像数据进行多项式校正计算, 重采样生成输出图像数据, 根据当前拍摄区域中心点位置, 设置图像投影条带, 指定图像投影信息, 最后输出为图像文件。

2 实验结果以及误差分析初步

根据上述模型, 输入图像文件, 并同时获取与图像生成时所对应的遥测数据, 从中分离出建立模型所需的飞行器位置、飞行器三姿、平台姿态、相机参数、激光测距值等数据。利用这些遥测数据建立系统校正模型, 对输入的图像进行校正计算, 生成图像数据, 写入输出图像文件中。因工程应用需要, 还要在图像中加入地理坐标数据, 图像投影信息等。为后续的图像处理以及情报应用处理提供支持。

在进行图像校正定位过程中, 由于多方面因素, 会导致产生光轴指向误差。造成该误差的因素包括:系统安装误差、飞机位置误差、飞机姿态误差、平台姿态误差、结构安装误差、相机内方位元素误差等。

对于飞机姿态误差、平台姿态误差、相机内方位误差, 通过各个设备出厂调试, 以及在系统联试过程中进行设备调校。

飞机位置, 是由机载GPS定位系统提供, 在实验中, 使用差分GPS以及组合惯导, 通过插值运算得到精度更高的飞机空间坐标, 理论上可以达到10 m以内的误差。

对于结构安装误差, 这也是一个系统误差, 通过地面检测, 可以测出部分误差结果;然后在模型中加入误差修正量, 弥补误差因素对校正计算精度影响。在实验过程中比较常见到, 并且对校正输出结果影响较大的是平台的安装误差, 该误差有时达到十多度, 这意味着, 在飞行器据地几千米的空中, 该误差量直接导致最终图像校正结果将有上百米, 甚至于几百米的定位误差。为了降低该误差, 首先在系统安装时, 进行系统误差校准。另外, 还需要在实验前, 对已安装的平台进行地面测量, 测定该误差值。并将该值加入到校正模型中的误差消除模块, 降低这种系统误差对校正精度的影响。

3 结束语

本文利用坐标变换方法给出了机载CCD电视摄像机和前视红外热像仪遥感图像的几何校正模型, 实施视频单帧图像的几何校正计算, 完成该图像的定位。同时结合实验, 通过对激光测距数据的引入校正模型, 对平台安装误差进行分析和计算, 提高校正精度。在实际应用中, 该方法取得良好的图像定位效果, 但同时也存在不足, 图像定位经度目前还不算太高, 在今后的工作中, 需要继续研究, 以达到更好的结果。

参考文献

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[2]朱述龙, 张占睦.遥感图像获取与分析[M].北京:科学出版社, 2000.

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航空专用数据总线技术研究 篇9

1 航电系统结构的演变

1.1 分布式模拟结构 (Distributed Analogue Architecture)

这类上世纪五六十年代出现的系统未采用数据总线, 各主要单元通过配线相互连接, 如图1 (a) 所示, 这就使得飞行器需要非常庞杂的配线。而模拟系统的设备大都比较笨重, 且较容易出现偏离和漂移现象, 在高低温时就更为明显。所以随着数字技术的发展和应用, 这种结构逐渐退出了历史舞台。

1.2 分布式数字结构 (Distributed Digital Architecture)

上世纪七十年代, 随着数字处理设备的逐渐成熟, 速度快、精度高、无漂移和偏离问题的数字结构应运而生。在这个阶段, 如图1 (b) 所示, 数据总线得到了应用, 例如民用标准ARINC429 (110kbit/s) 、英军标准串行总线Tornado (64kbit/s) 。数据总线的应用明显改善了各单元间的数据传输, 推动了系统设备统一化, 但在该阶段的设备仍只注重其功能, 维修性、扩展性较差。

1.3 联合式数字结构 (Federated Digital Architecture)

各个功能单元相互独立, 各单元之间通过军标数据总线连接, 如图1 (c) 所示, 这就是联合式数字结构的主要特点。这种结构的出现是与上世纪八十年代军标1553B数据总线得到广泛应用密不可分的。1553B数据总线在传输速率较之以前的数据总线提高了一个数量级的同时, 也使得系统结构的可靠性得到明显提升, 从而成为真正意义上的航空专用数据总线。但随着数据处理与通信的需求日趋提升, 这种结构的设备兼容性不高、系统开放性偏低、数据带宽有限等弊端也日渐显现, 制约了航电系统整体性能的提升。

1.4 综合模块化结构 (Integrated Modular Architecture)

上世纪九十年代以来, 商业现货组件 (Commercial-off-theshelf, COTS) 的理念催生了综合模块化航电 (IMA) 结构的产生, 这是一种由商业成熟的标准化功能单元构成的系统结构, 这些功能单元同时运行在一个共享的计算平台上[1], 如图1 (d) 所示。这种开放式标准化的结构大大提升了航电系统的可重用性、可移植性, 一定程度上满足了系统高性能、功能复杂性的要求。

2 传统航空专用数据总线

2.1 MIL_STD_1553B/1773总线

MIL_STD_1553B总线由美国自动化工程师协会于1978年发布, 全称为飞行器内部时分命令/响应式多路数据总线, 我国与之对应的标准是GJB289A-97。该总线采用冗余的总线型拓扑结构, 传输数据率可达1Mb/s。其主要功能是为所有连接到总线上的航电系统提供综合化、集中式的系统控制和标准化接口。该总线技术首先运用于美国空军F-16战斗机, 在过去的30多年中, 被成功地应用于多种战机以及导弹控制、舰船控制等领域[2]。

由于MIL_STD_1553B总线使用窄带宽的屏蔽双绞线, 难以在电磁干扰环境下提供高性能和高可靠性的高速数据传输, 1988年, 美国国防部发布了MIL_STD_1773, 利用光纤传输介质来取代屏蔽双绞线以及电缆, 其他的高层协议与MIL_STD_1553B相同。目前, MI L_S TD_177 3已发展到了双速率、高速度的阶段, 其中, 波音 (Boeing) 公司研制了基于MIL_STD_1773标准的双速率的收发器 (具有1 M b/s和2 0 M b/s两种速率) , 其中1 M b/s主要用于MIL_STD_1553B总线, 而20Mb/s主要用于高速数据传输。

1553B总线作为第一代军用数据总线技术, 在上世纪七八十年代日渐成熟并得到广泛的应用。然而, 随着对数据传输 (视频、音频、分布式数据) 应用的需求日益增加, 其有限的带宽 (1Mb/s) 已逐渐无法完全满足现代系统对数据传输的需要, 且集中的总线控制器给系统带来潜在的单点故障这一致命威胁, 被新架构的数据总线取代已是大势所趋。

2.2 ARINC429/ARINC629

ARINC429总线协议由美国航空电子工程委员会于1977年发布, 全称是数字式信息传输系统 (Digital Information Transfer System, DITS) , 我国与之对应的标准是HB6096-SZ-01。协议标准规定了航电设备及有关系统间的数字信息传输要求, 发送设备与接收设备采用屏蔽双绞线传输信息, 传输方式为单向广播式, 调制方式采用双极性归零制三态码, 传输数据率可达100Kb/s。ARINC429广泛应用在民航客机中, 如B-737, A310等, 俄制军用飞机也选用了类似的技术[3]。

作为传统航空专用数据总线, ARINC429总线有明显的不足。未采用总线控制器, 而采取了1个信息源使用1条429总线的单向广播式, 这在航电设备激增的情形下是难以想象的。加之ARINC429总线带宽非常有限, 接口也不支持新型微处理机, 因而导致数据传输延迟较明显, 难以满足现代航电系统的需求。其后, 波音公司在此基础上形成的总线数字式自主终端存取通信 (Digital Autonomo us Ter min al Access Communi cat ion s, DATAC) 方式, 即ARINC629总线, 也因先天不足, 仅在波音-777得到了应用。

2.3 STANAG3910

在20世纪90年代初, 北大西洋公约组织 (NATO:North Atlantic Treaty Organization) 在研制欧洲新一代战机时, 由于需要将军标1553B的数据传输速率提高到1Mbit/s以上, 提出了一种新的数据总线欧洲标准STANAG3910。STANAG3910也是一种指令/响应协议, 采用双速率传输总线结构, 高速光纤数据终端的传输速率可达20 Mbit/s, 并通过星形耦合器 (star coupler) 相连;通过军标1553B采用电子链接对其实施控制[4]。STANAG3910的提出是对MIL_STD_1553B系统的平滑的、有效的升级改进, 以提供高传输速率来满足发展需要, 并成功应用于在欧洲战斗机 (EFA) 和RAFALE战斗机。

3 新一代航空专用数据总线

3.1 FC

光纤通道 (Fibre Channel, FC) 技术是美国国家标准学会 (American National Standards Institute, ANSI) 于1998年开始制定的数据通信标准, 是将计算机通道技术和网络技术有机结合起来, 具有全新概念的通信机制[5]。以COTS为基础, 支持I/O通道所要求的带宽、可靠性以及网络技术的灵活性、连接能力和距离, 使得在同一物理接口之上运行当今流行的通道标准和网络协议成为可能, 现已成为一种高速传输数据、音频和视频信号的ANSI串行通信标准。

FC具有以下三个基本特点:

(1) 远距离高带宽传输。串行传输速率为133Mb/s~1.0625Gb/s, 数据吞吐量大, 适用于不同模块间大规模应用数据交换;以光纤、铜缆或屏蔽双绞线为传输介质, 介质最大传输速率可达10Gb/s, 最大传输距离达10km。

(2) 高可靠性与实时性。多种错误处理策略、32位循环冗余校验码 (Cyclic Redundancy Check, CRC) 以及利用优先级管理保证高可靠性;端到端传输延迟量小于10s, 支持非应答方式与传感器数据传输, 满足实时性要求。

(3) 可扩展性良好。开放式国际标准, 灵活的拓扑结构, 既可确保不同生产厂商的产品能够互相协作使用, 又能方便地增加和减少节点以满足不同应用的需求, 可有效地减少物理器件与附加设备的种类并降低经济成本。

面向不同的应用, 出现了一系列的适用于航电系统的总线协议, 如FC-AE、FC-AV、FC-RDMA等。特别是对正在更新换代的M I L-S TD1 5 5 3总线进行兼容, 增加了F C总线的通用性, 即F C-AE-1553。在军用领域, 已将多种航电网络协议映射到FC通道上, 已在航天、航空和航海工程中得到开发与应用, 并逐渐替代已被广泛使用30年的MIL-STD-1553标准。

3.2 AFDX

AFDX (Avionics Full Duplex Switched Ethernet) 是空客公司在商用交换以太网的基础上建立起来的。空客公司根据航空电子的需求, 基于ARINC429和MIL-STD-1553B, 在实时性、可靠性等方面进行了改进, 从而形成了旨在航空子系统之间数据交换而定义的一种电子特殊协议标准 (IEEE 802.3和ARINC664 Part7) [6]。在大中型运输机的航电网络的应用中, AFDX表现出很强的适应性。

AFDX网络为星型拓扑, 主要由端系统 (end-system) 、AFDX交换机 (switch) 以及传输链路 (link) 组成, 每台交换机大约能连接20个端系统, 形成接入交换网络;AFDX交换机之间通过背板总线连接, 形成骨干交换网络。

AFDX系统具有以下特点:

(1) 开放式系统结构。基于AFDX网络构建的航电系统符合国际标准化组织定义的开放式系统互连参考模型 (Open System Interconnect, OSI) , 对接口、服务和支持形式等均采用定义充分、使用广泛、公众支持的非专利规范。

(2) 分区技术和资源共享。AFDX采用与ARINC653相同的分区技术, 对运行在核心模块上的多个应用软件按功能划分为多个分区, 一个分区由一个或多个并发执行的进程组成, 分区内所有进程共享分区所占有的系统资源。AFDX采用交换机技术, 各个单元通过交换机进行数据交换。

(3) 高确定性和可靠性。AFDX网络提供的服务是有保障的服务 (Guaranteed Service) , 这主要体现在确定性和可靠性。AFDX的确定性主要表现在网络的最大传输延迟控制上, AFDX虚拟链路都有带宽分配间隔和最大的帧尺寸, 传输过程中引起的抖动有一定的范围限制, 是可控的[7]。在这种机制保障下, AFDX帧可按一定的顺序、无碰撞地进行传输, 交换机端口与主机的连接关系是确定的, 主机名与IP地址的对应关系是确定的, IP地址与MAC地址的对应关系是确定的, 端口的功能是确定的, 数据的含义是确定的, 报文的传递路径是确定的, 等等。AFDX网络引人了余度的概念, 帧可以同时在两条独立的路径上传输, 接收端系统只接收先到达的有效帧, 这就显著提升了系统的可靠性。

AFDX总线已经在欧洲空客A380和A400M中得到了应用, 多家国外公司如Rockwell-Collins和Condor等分别推出了AFDX的收发模块。而在国内, 基于AFDX的军机航电系统也正在进行研发测试当中。

3.3 TTE

时间触发以太网 (TTE, Time-Triggered-Ethernet) , 即以时间触发代替事件触发, 将通信任务通过合理的调度定时触发发送, 被称为时间触发流量。时间触发概念的提出, 其目的是在于通过全局的时钟精确同步, 可有效避免数据帧争用物理链路, 保证了通信延迟和时间偏移的确定性。时间触发与事件触发相比在系统确定性、资源损耗、可靠性、实时性上有很大优势。

TTE网络是在标准IEEE 802.3以太网上实现的时间触发网络协议, 作为完全分布的、严格确定性的安全关键性计算及联网平台, 走过了25年的开发历程, 目前支持100Mb/s和1000Mb/s速率, 10000Mb/s速率的TTE网络也在开发过程中[8]。

TTE总线技术兼容了时间触发协议和以太网技术的优势, 能够在同一个网络平台上兼容普通网络数据流、AFDX数据流和TTE网络数据流[9], 具备更高的安全性和强有力的容错机制, 拥有非常广阔的应用前景, 有望作为AFDX互连的子集, 在大中型飞机的综合化互联中扮演重要角色。

4 结语

一种航空专用数据总线的应用取决于该总线标准是否满足系统通信速率、可靠性、抗干扰、兼容性、可扩展等方面的要求。通过以上对多项航空专用数据总线技术的研究分析, 可以归纳出如图2所示的发展脉络。传统航空专用数据总线已越来越不能满足发展的要求, 而新一代航空专用数据总线优势明显, 极具成长性。基于新一代航空专用数据总线的系统在国外已得到一定程度的应用, 国内也应大力开展相关研究, 提升我国航电系统的综合一体化水平。

参考文献

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[4]马贵斌, 周国奇, 田珂.军用数据总线技术发展综述[J].电光与控制, 2010, 17 (6) :48-53.

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[7]钟杰, 何民, 王怀胜, 郑力.AFDX构架及协议分析[J].电讯技术, 2010, 50 (1) :65-71.

[8]TTA-Group.TTEthernet Specification[Z].2008.

航空发动机切削技术探析 篇10

1.1 航空发动机零部件的切削要求

航空发动机的零部件组成非常复杂, 并且有很多零部件的紧密程度要求较高, 一旦出现较大的切削误差就极有可能导致部分区域或整个发动机出现工作障碍。航空发动机中常见的零部件有涡轮叶片、叶盘、机匣外壳等, 这些零部件大部分或全部都由高强度、高熔点的合金、金属化合物以及其他复合材料组成, 由于材料种类相对复杂, 增加了切削难度, 加上材料本身的硬度、刚度加大, 也对切削技术提出了极为严格的要求。

1.2 航空发动机切削刀具的要求

刀具是切削加工系统的主要组成部分, 对于切削速率、切削质量起着至关重要的影响。由于航空发动机对各组成部件之间的契合程度要求较高, 加上零件用材性能好、硬度大, 因此对于切削刀具提出了较高的要求, 在实际切削过程中, 不仅刀具本身的硬度、材质要过关, 而且对加工切削速度以及切削的精确度要求也极为严格。目前应用较为广泛、并且切削质量较高的几种刀具分布为:硬质钛合金刀具、涂层刀具、金刚石刀具等。

1.3 航空发动机对切削面的要求

发动机的高效运行需要各个部件相互作用, 在此过程中, 部件不可避免的要进行相互碰撞、摩擦, 因此, 发动机各部件表面的光滑程度和完整性直接决定了发动机能否正常运作。由于发动机组成部件的硬度和耐磨性较好, 因此各零部件之间的磨合期较长, 如果前期不能做好平整切削, 很容易在后期发生机器故障。尤其是对于大型的货物运输飞机来说, 对于发动机的功率、性能要求较高, 发动机负荷大, 对于核心零件切削面的完整性和光滑性要求程度极高。

2 航空发动机切削技术的简析

2.1 新型高效切削刀具的应用技术

从整个机械加工制造行业来看, 机械切削是一种应用最为广泛、使用频率最高、操作简便成本低廉的加工方法, 保证金属切削质量的主要因素有两个:其一是刀具的选择, 包括刀具用材以及材料质量、制作工艺等;其二是切削参数, 包括对切削硬度、切削温度等参数的收集与分析等。

对于切削刀具来说, 保证刀具的强度、刚度、耐磨性能以及切削准确度, 是高质量完成切削工作的基本保障。此外, 刀具的正确安装与使用也是影响切削质量的重要因素, 要求操作人员必须具备较高的专业知识以及判断力, 保证切削质量。目前研制出了新型的合金刀具, 减少了切削过程的刀具磨损老化速度, 而且添加了切削减震系统, 有效避免了切削震颤。

2.2 航空发动机难加工材料的切削技术

难加工材料从形成原因上看主要分为两类:一是客观上的难加工材料, 例如发动机核心零部件、涡轮轴承;二是主观上的难加工材料, 例如零件咬合要求程度严格、叶片边缘加工。难加工材料是发动机切削中最能体现切削技术的一项操作, 同时由于设计到发动机的核心部件, 因此需要谨慎选择切削技术。

首先, 在刀具选择时, 要充分考虑发动机零件的整体构造和发挥作用, 并以此为依据选择与之相匹配的切削刀具。不断优化刀具几何参数, 优化切削用量。既要提高金属去除率, 实现高效切削, 又要保证合理的刀具耐用度, 提高零件加工质量。其次, 相对于传统的切削加工, 其切削速度、进给速度有了很大的提高, 而且切削机理也不相同。到目前为止, 高效加工是在保证加工质量的同时采用高的主轴转速、大的进给量、大切深进行高效率的加工。

2.3 基于可持续发展理念的绿色切削技术

绿色切削加工技术得到各个国家的重视, 绿色切削作为绿色制造的关键技术之一, 主要指在生态大环境和加工现场小环境均无负作用 (或负作用很小) 的情况下, 在加工过程中产生的少量" 三废" (废气、废液和废渣) 在链条末端可回收或自然降解, 达到无公害的环保要求, 对人和环境没有危害的切削技术。各国学者做了大量的试验研究工作, 切削冷却润滑技术, 如微量润滑技术、雾化冷却润滑技术、液体射流冷却润滑技术、低温冷风冷却技术、液态冷却干式切削技术及干式静电冷却技术等。其目的是为实现切削冷却润滑技术的少或无污染。由于微量润滑中润滑油是以10~50μm的雾滴形式存在, 而且在高速气流的带动下进入切削区域, 相比于传统的切削液具有更好的渗透性, 更易在刀具与切屑之间形成润滑膜, 降低切削温度、提高刀具寿命和改善加工表面质量。

2.4 切削过程监控技术

开展切削过程刀具监控技术研究工作, 需要探索解决两方面的技术问题, 一是因为刀具磨损量低于磨钝标准, 造成没有充分利用刀具的实际寿命而带来浪费, 增加制造成本的问题;二是因为刀具磨损量高于磨钝标准, 刀具己经磨钝或破损, 影响工件的加工表面质量和尺寸精度, 甚至损坏机床的问题。刀具状态监控系统不但提高刀具本身的利用率, 而且可避免工件报废和机床故障, 节约成本。因此对刀具实际的磨损状态进行识别在解决航空材料的切削难题中起着至关重要的作用。目前, 生产现场利用数控设备提供的切削功率负载波动率对切削过程的稳定性进行切削过程在线监控在实际生产中具有一定实践意义。

2.5 振动切削技术

振动切削按照其振动源频率分为高频振动和低频振动。特别是在难加工材料切削加工中, 采用超声或高频振动切削改变了传统常规的金属切削方法。振动切削不但使难切削变成能切削和易切削, 零件表面精度和质量得到提高, 而且提高了刀具的使用寿命。该项技术的难点在于:为了达到振动切削效果, 需要解决振动频率、振幅与不同被加工材料切削参数的合理匹配问题。

2.6 切削加工表面完整性控制技术

零件切削加工表面完整性包含两方面的内容:一是与表面形貌或表面纹理组织有关的部分, 研究零件最外层表面与周围环境间界面的几何形状, 包括表面微观几何形状与表面缺陷等表面特征, 属于外部加工效应, 通常用表面粗糙度等来衡量;二是与加工表面层物理力学性能状态有关的部分, 研究表面层内的特性, 属于内部加工效应, 包括表面内的残余应力、变形强化、加工硬化、金相组织变化、裂纹等技术指标。通过近年来的航空事故原因调查分析, 发现切削加工表面是最容易产生裂纹破坏和应力集中的地方, 加上长期受到腐蚀影响, 大大减低了零件的使用期限。

参考文献

[1]王聪梅.航空发动机典型零件机械加工[M].北京:航空工业出版社, 2014.

[2]马鸿龙, 刘战强, 万熠.基于切削加工特征的车削刀具的选择[J].工具技术, 2013 (2) :33-35.

航空复合材料结构修补技术与应用 篇11

关键词：航空；复合材料；结构；修补技术

中图分类号：TQ436.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0056-02

1 概 述

复合材料修补的设计和可行性研究最早始于上个世纪70年代初叶。当时，美国和苏联的冷战正处于关键时期，也是太空竞赛的重要节点，因此，以英美为首的资本主义国家开始积极投入资源研究复合材料的修补技术，并且采取了积极而严密的保密机制。而我国的复合材料修补技术研究直到上个世纪的80年代中后期才开始筹建。在1989年，我国首次实现了对某飞机副油箱水平安定板支臂裂纹进行了以碳纤维复合材料为补片的外场修补，标志着我国航天材料修补技术及工艺应用开端。然而，我国在该项技术的研发上落后于发达国家太多，加上各国之间的技术交流缺乏有效的途径，这使得我国的航空符合材料结构修补技术研究综合水平不高。尤其是在某些特点材料结构的修补上缺乏足够深入和系统的研究，其中的不足之处表现在多个方面，不仅仅是对该复合材料的研究和修补技术上，更表现在有限元模拟和工程应用技术储备等方面。

因此，这也是本文介绍结构复合材料修补技术的初衷，希望可以有更多力量投入到在航空领域材料结构修补技术的研究和应用当中。

2 航空复合材料结构损伤及修补的分析

2.1 航空复合材料结构的损伤

复合材料在制造和应用的阶段往往容易产生结构性的损伤，这主要是由于该类材料在物质组成和系统性能上具有一定的特殊性。然而，该类材料往往具有较高的物质成本，整个部件的置换往往需要耗费大量劳务成本和物质成本，因此，往往对航空复合材料的结构损伤采取修补的方式，使之再次投入使用。对于修补技术而言，首先便是需要对复合材料的损伤特点进行分析，并通过对其结构损伤详情和材料组成差异性的分析，决定相应的修理工作。

具体而言，航空复合材料的结构损伤往往分为高速冲击损伤与低速冲击损伤两个大的类别，其修补技术也需要根据这两类损伤的不同具体确定。因为低速冲击损伤所附带的能量水平较低，所以其引发的复合材料内部结构的层间分离和集体裂纹，其材料结构表明并不会有太明显的特征，但是这类损伤也会使得材料结构的强度大大减弱，无法继续发挥使用性能。而高速冲击损伤的表象则相对明确，因为具有大量的能力，而且相对集中，因此所造的破坏和易见性损伤都明显，例如裂缝、空洞、断裂等等。

2.2 航空复合材料结构的修补原则

2.2.1 基本的修补原则

航空复合材料的基本修补原则主要包括了便捷性、时效性、经济效益以及使用性能的恢复等诸多方面。

具体来看，第一，需要修补之后的强度和硬度满足使用要求，同时还需要保障材料在结构性上的完整，无论是承载状况还是使用性能都能恢复到标准水平。第二，需要在修补的过程中要尽可能少影响机械整体结构、重量以及其他性能，控制在可接受的标准范围内。第三，还需要材料表明的平整性、光洁度以及完备性，这主要是为了保障航空设备的外形不发生变化，减少对设备的启动影响。第四，由于修补具有较强的操作性，同时不需要太多的器材和设备。第五，修补具有在经济效益是符合标准的，需要保障成本是处于可接受的范围内。

2.2.2 结构性修补的原则

对于从事修补的技术人员来说，除开对于基本修补原则的注重之外，还需要对结构性修补原则引起重视。首先，需要保障修补通道的预设置，方便今后检修工作和强化工作的进行。其次，要对频繁损坏的位置进行设计方案上的优化。最后，还需要强化对组合构件的设计和应用，降低单一项目修补所带来的难度，及其对整体结构的影响。除此之外，还需要尽量减少对整体构建的置换和装卸，进一步避免安装所带来的时间成本。

3 航空符合材料结构修补技术的分类

3.1 机械连接类

机械类的修补技术大多是通过焊接和铆接来实现，通常而言，这类修补需要在所需修补的位置外表覆盖补片，然后通过螺栓或铆钉对补片进行固定。这样一来，被损坏位置在经过修补之后有可以维系完整的载荷传递路线，满足其原有的功能性需求，具有非常明显的优势，而且在操作上也相对简单。同时这类修补技术也有效地避免在修补过程出现冷藏和加热的需求，因此对辅助设备功能性要求较低。在最后阶段的修补连接件处理上并不需要投入太多的技术施工，同时又满足了效率和便捷性的需求，具有相对可靠的修补性能。然而，该类修补技术模式也存在一定的技术缺陷，尤其是连接孔的位置会出现应力过于集中的问题，需要引起高度的重视。

同时，这类机械连接修补技术还存在不少的问题需要解决。

①补片采用的材质（一般采用钦合金、铝合金、不锈钢等纤维复合材料）、厚薄以及形态；

②紧固件的材质（常用单面螺栓或抽芯铆钉）和类型；

③紧固件的位置排布（间距一般为4～5D，孔边距为3D，保持和铆钉孔的间距）；

④科学的打孔技术；

⑤打孔对于整体结构的效果；

⑥紧固件的安装、配置以及保存问题。

3.2 胶接类

胶接类修补技术可以直接从名称进行理解，是指通过特殊的胶体将损坏位置与补片进行连接固定，以实现使用性能的恢复。胶接法的应用，使得损坏部位的修补模式有了更多的选择空间和更强的可调节性，可以实现切除填补，这也使得胶接类修补法主要分为贴补、挖补等不同的类别。

首先是贴补修补，其本质是利用外部补片的胶接完成对损伤位置的修补，但是能够用到贴补修补的损伤位置并不多，一般只能在平面损伤中进行修补，而且大多都是不会影响到整体气动外形的部位。通常应用到贴补补片模式的材料也具有较多的选择空间，除了可以选用钛、铝、不锈钢等金属材质之外，还可以直接运用碳/环氧、硼/环氧等类型的复合材料。然而事实上，对于这类外贴补片的材料选择，往往会优先选用和母体材质相近的材料完成修补工作。

其次是固化完成的复合材料层板，钛、铝合金金属材料。胶接修补模式可以有效减少在修补中所消耗的时间成本，并且对修补位置的气动外形影响也相对较小。挖补修补，应用这类修补的主要原因是因为这类损伤部位需要进行高强度的清理，然后再由新材料进行填补。而这类修补技术也可以根据填充模式的不同进行划分，主要是斜接填充和阶梯填充两大类。

以斜接填充法为例，主要是将损坏位置进行二次修整，保证其呈现斜面状，然后采用新的材料进行补充，而对于基于胶接面的剪切则可以保证其匀称性，同时避免载荷偏离、剥离应力过小的问题，所以修补效果更好，特别是关于厚层合板方面的修补完全可以忽略厚度因素，就可以保证修补位置表面恢复光洁。然而，相比贴补法的特点分析，这类修补模式往往对操作工艺具有较高的要求，而且会耗费较大的时间成本，还需要特别的操作环境和操作设备，因此，在一般的厂家并不容易开展。加上阶梯修补本身与斜接修补就有不少的相似性，只是阶梯修补需要将损坏位置修整为阶梯型，再利用新选用的修补材料进行填充。然而，这类修补模式往往需要对修补工作的操作人员有较高的要求，不仅仅需要利用专业的设备，还需要高超的技术水平和严谨的工作态度。值得注意的是，这类修补模式需要对没有损失的部位进行清除，因此会衍生出不少的风险。

3.3 其他修补类

对于航空复合材料而言，除了其本身材料构成上的特殊性之外，还有其所运用领域的特殊性，综合下来，其易受损的状况也比普通金属材料要频繁的多。因此，该类材料的修补模式也和其他传统修补模式存在一定的差异性。

因此，除了前两种常用的修补方法之外，我国在技术发展的过程中也涌现出了不少的新型修补模式。其中发展和应用状况相对良好的主要是：电子束固化修补、光固化修补以及微波修复等等。这类修补模式往往具有相对较高的修补效率，通常适用于非补片式的修补需求，例如微波修补，则主要采用的是一种特殊的“胶接”方法，即在损坏地方加入微波吸收剂，然后强化该位置的磁导率，然后以特定的微波施加设备对修补位置导入微波，使之在较短的时间周期可以构建全新的高强度修复面，最终实现对于损伤位置的修补，恢复其使用性能。

4 结 语

随着时代的发展，航空复合材料的应用领域和前景也得到了进一步的显现，同时也催生航空复合材料结构修补产业和技术的发展和完善。然而，我国目前的航空符合材料及其修补的发展还相对较慢，与发达国家存在较大的差异。

因此，需要国家加大对航空复合材料结构修补技术的支持和引导，尤其是对教育产业的引导和扶持，让更多的人可以有平台接触该知识，通过扩大教育基础加大高级技术人才对该领域研究的深入，为我国航空复合材料修补技术的发展提供坚实的基础。

参考文献：

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航空静止变流器技术 篇12

静止变流器是综合应用电力电子技术对飞机电能进行二次变换的装置,它综合了电力技术、电子技术与控制技术。航空静止变流器是飞机电源系统的核心组成部分,直接影响到飞机的安全性和可靠性,同时也是决定航空电源系统技术水平的主要因素之一。

静止变流器的基本要求是:可靠性高,成本低、维护方便、体积小、重量轻、电气性能好。主要电气性能指标有:输出电压精度高,动态响应速度快,输出正弦电压失真度低,效率高。随着飞机性能的提高和用电设备的不断增加,对航空静止变流器也提出了更高的要求。具有高效率、高可靠性、高功率密度、输入与输出之间具有航空/电隔离的变换器才能满足上述要求。

1 传统静止变流器分析

传统静止变流器的电路结构主要包括单相逆变器和三相逆变器。目前单相逆变器的主电路主要包括全桥和半桥两种。而三相逆变器的主电路主要包括三相桥式、三相半桥和三相四桥臂等结构。

1.1 三相桥式逆变器

三相桥式逆变器[1],图1所示为三相桥式逆变器拓扑,电路结构简单,采用的器件较少,功率管承受母线电压,直流母线电压利用率高,一般用于功率较大场合。但为了得到三相四线制的输出电压,提高逆变器带不平衡负载的能力,必须在输出端增加中点形成变压器,使逆变器的体积和重量显著增加。

1.2 三相半桥逆变器

三相半桥逆变器,图2所示为三相半桥逆变器拓扑,也有结构简单、功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点,作为输出的中点,可构成三相四线制的输出。为防止中点电位的偏移,串联电容的容值必须很大,使逆变器的体积和重量增加。而且半桥电路只是利用直流母线电压的一半,因此,三相半桥逆变器适合于低压中小功率输出的场合。

1.3 三相四桥臂逆变器

三相四桥臂逆变器[2],图3所示为三相四桥臂逆变器拓扑,是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂,该桥臂的作用是形成输出中点,减小不平衡负载时三相输出的不对称度。逆变器的输入端如果采用谐振直流环节时,四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂,但仍是目前的研究热点。

2 双Buck逆变器原理分析

无论单相全桥、单相半桥拓扑,还是三相桥式、三相半桥、三相四桥臂拓扑,都存在以下问题:(1)是桥臂直通问题。(2)二极管反向恢复损耗大的问题。

因此,拟采用一种单相双Buck电路拓扑,图4是双Buck半桥逆变器的主电路原理图,它可看成由两个类似Buck的桥臂网络变换器组成,分别由S1、D1、L1、C和S2、D2、L2、C构成。图5所示为三相双Buck逆变器拓扑,是由3个单相双Buck逆变器组合成的组合式三相逆变器。

该电路不存在桥臂直通,开关管体二极管不参与工作,不存在体二极管反向恢复损耗大的问题,效率高、可靠性高。

由于两功率管之间串联着两个较大的滤波电感,因此该电路没有传统逆变桥的直通问题,提高了可靠性。另外,续流电流流过独立的续流二极管,功率开关管和续流二极管可以分别得到最优设计[3]。

3 双Buck逆变器举例分析

针对一500 VA/115 V/400 Hz的三相半桥双降压式逆变器做了工作原理的仿真验证。仿真条件为:输入电压Ui=360 V,三相基准正弦波对称,三相控制电路参数相同,其中电压环PI控制参数为Kpa=Kpb=Kpc=4,τia=τib=τic=4.4×10-5。输出滤波参数L1=L2=L3=L4=L5=L6=1 mH,Ca=Cb=Cc=2 μF,图6～图9分别是负载状况分别为三相空载、三相平衡阻性额定负载、三相平衡感性额定负载和三相平衡容性额定负载。

表1可以看到在三相基准正弦波对称、三相控制参数相同和带三相平衡负载的条件下,三相输出电压的幅值和相位都是对称的[4]。

从以上分析,可以得到以下结论:

(1)传统逆变器中开关管平均开关频率近似是双Buck逆变器中开关管平均频率的两倍。因此,传统逆变器的开关损耗要大于双Buck逆变器的开关损耗。

(2)传统逆变器中是利用开关管的二极管进行续流,而双Buck逆变器利用独立的二极管进行续流,可以进行最优化设计,采用反向恢复时间短,导通压降小的二极管,所以双Buck逆变器效率要高于传统逆变器的效率。

(3)双Buck逆变器的两只开关管之间有两只电感串联,即使两个开关管同时开通,也不会出现直通现象,所以不必设置死区,因此不会产生由于死区造成的输出电压波形畸变。

(4)双Buck逆变器需要两个LEM和两个滤波电感。

4 结束语

文中提出的双Buck逆变器作为半桥逆变器的一种特殊形式,具有传统半桥逆变器的一般特点,且无功率管直通问题,系统抗干扰能力强、可靠性高,功率开关管和续流二极管可分别得到优化设计,开关损耗低,可实现较高的开关频率,不需要设置死区时间,消除死区引起的电路非线性及输出波形畸变问题。但从电路架构和控制方法上看,存在不足。增加了两只独立的续流二极管和两只滤波电感及两只电流互感器LEM。

参考文献

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