李征初，楊 炯，梁 鑒，李金勇

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000）

Φ3.2m風洞活動地板系統(tǒng)研制

李征初，楊 炯，梁 鑒，李金勇

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學國家重點實驗室，四川 綿陽 621000）

目前在風洞中通常采用固定地板和活動地板兩種模擬方法開展飛行器地面效應研究，確定地面效應影響量大小。采用固定地板模擬地面時，由于存在地板邊界層，不能真實模擬飛機近地飛行狀況。采用活動地板模擬地面時，由于活動帶運行速度和方向與來流一致，在活動地板表面不存在邊界層，可以真實模擬飛機近地飛行狀況，提高地面效應試驗數(shù)據(jù)的精準度。介紹了Φ3.2m風洞活動地板系統(tǒng)的研制情況，對活動地板系統(tǒng)的組成、結(jié)構形式、主要技術指標等作了簡要介紹。YF－16模型試驗結(jié)果表明：Φ3.2m風洞活動地板試驗系統(tǒng)的性能指標達到了設計要求，活動帶最大運行速度為60m／s；活動地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應試驗結(jié)果存在較大差別，差別大小隨地板高度和飛機姿態(tài)角變化而變化。

飛行器；地面效應；活動地板；風洞

0 引 言

地面效應是飛機或其它飛行器近地飛行、起飛著陸時必然遇到的現(xiàn)象。對于一般飛機，地面效應使飛機的升力線斜率增加、誘導阻力系數(shù)減小，縱向安定度增加。飛機氣動特性的上述改變直接影響飛機的飛行特性，使得飛行器的氣動力與高空飛行狀態(tài)相比發(fā)生很大變化。升力增加、誘導阻力減小的這種有利地效對小展弦比或細長翼飛機更為明顯，地面效應的影響有時也會成為不利因素，對有高升力裝置的一些機種就是如此。因此，弄清飛行器的地面效應對飛行器的研制有重要意義。

活動地板裝置主要用于飛行器地面效應的研究和測量。利用活動地板進行地面效應試驗時，由于活動帶的速度與風洞來流速度相等，方向相同，活動帶上便不會產(chǎn)生邊界層，可以真實模擬飛行器近地飛行情況。特別是對垂直、短距起降飛機，飛機的下噴氣流和地面相互作用產(chǎn)生高升力，從而提供飛機所需的氣動力，但用固定地板進行地面效應試驗時，下噴氣流與地板邊界層相互作用使地面渦向前移動，并發(fā)生分離，嚴重影響風洞試驗結(jié)果，而利用活動地板就不存在這種問題。利用活動地板系統(tǒng)進行飛行器地面效應研究有很高的使用價值，有利于開展型號試驗和高升力機種的研究。目前，活動地板裝置已在歐、美、俄等發(fā)達國家的大型航空風洞得到廣泛使用，在飛行器地面效應試驗方面取得了良好效果；國內(nèi)還沒有一座航空風洞建設和使用活動地板系統(tǒng)。為了提高飛行器地面效應風洞試驗水平，氣動中心低速所在Φ 3.2m風洞成功研制了一套活動地板系統(tǒng)，并采用YF－16標模開展了飛行器地面效應試驗影響研究。

1 系統(tǒng)設計要求

活動地板裝置主要用在Φ3.2m風洞的開口試驗段，根據(jù)風洞試驗段尺寸和型號試驗需求，確定了活動地板系統(tǒng)的主要工況要求和主要技術指標。

1.1 工況要求

（1）系統(tǒng)工作時活動地板完全處于風洞流場中，因此在滿足結(jié)構強度和剛度要求的情況下，裝置外形符合流線型要求，系統(tǒng)的迎風面積盡可能??；（2）系統(tǒng)固有頻率達8Hz以上；（3）系統(tǒng)具有無級調(diào)速、自動糾偏、活動帶吸附、狀態(tài)檢測、安全監(jiān)控等功能；（4）系統(tǒng)配備自動升降平臺，可自動調(diào)節(jié)活動地板在試驗段中的高度位置；（5）具備在突然掉電情況下保證裝置運行安全的保護功能；（6）所有進出活動地板裝置的管線必須采取防護措施，避免直接暴露在流場中。

1.2 主要技術指標

（1）活動地板裝置的最大尺寸（長×寬×高）3510 mm×3780mm×2600mm；（2）活動帶工作面長度2760mm；（3）活動帶工作面寬度2400mm；（4）活動帶運行框厚度240mm；（5）活動帶速度范圍5～60m／s；（6）活動帶速度誤差±0.5%；（7）活動帶的上下跳動≤3mm；（8）活動帶的張緊、糾偏調(diào)節(jié)范圍0～120mm；（9）帶輪直徑236mm；（10）升降平臺行程范圍0～800mm。

2 活動地板裝置設計

活動地板裝置包括活動地板運行框、升降平臺和前后緣等部分，如圖1所示。

圖1 活動地板總體構成Fig.1 Layout of moving belt floor

2.1 活動地板運行框設計

活動地板運行框是活動地板的主體，由活動帶傳動系統(tǒng)、活動帶糾偏張緊系統(tǒng)、活動帶支撐及吸附系統(tǒng)、系統(tǒng)支撐框架等部分組成。如圖2所示。

圖2 活動地板運行框Fig.2 Operational frame of moving belt floor

（1）活動帶傳動系統(tǒng)；由活動帶、主動帶輪、從動帶輪、主電機等組成，主電機產(chǎn)生運動的動力，通過傳動件驅(qū)動主動帶輪?；顒訋埦o在主、從帶輪之間，在主動帶輪的驅(qū)動下運動。

（2）活動帶糾偏張緊系統(tǒng)；系統(tǒng)采用雙輪張緊及糾偏調(diào)節(jié)方式，在從動輪端配置糾偏張緊機構，通過調(diào)節(jié)主、從動輪之間的距離實現(xiàn)活動帶張緊，通過調(diào)節(jié)主、從動輪兩端距離實現(xiàn)活動帶糾偏控制。

（3）活動帶支撐及吸附系統(tǒng)；活動帶上部為活動地板工作面，為了保證工作表面的平整，在活動帶下方配置平整臺面以支撐活動帶，此外，為防止流場中模型與活動帶間負壓引起活動帶脫離支撐臺面，在臺面下安裝了吸附系統(tǒng)，以保證活動帶與臺面的可靠貼合。

（4）系統(tǒng)支撐框架；系統(tǒng)支撐框架是運行框的基礎件，將運行框上各部分集成為一個整體。

2.2 升降平臺設計

升降平臺由底框、4套升降桿和中間連接桿組成，結(jié)構如圖3所示。

圖3 升降平臺Fig.3 Lifting plateform

為了實現(xiàn)運行框整體平穩(wěn)升降及運行框水平調(diào)節(jié)，升降平臺采用4桿支撐方式，在運行框4個角上分別布置升降柱，采用伺服電機為驅(qū)動源，通過4個升降柱的同步驅(qū)動，實現(xiàn)運行框的整體升降運動；通過對單根升降柱的運動控制，實現(xiàn)運行框的水平調(diào)節(jié)。升降柱的升降運動通過滑動絲桿螺母副實現(xiàn)，利用滑動絲桿良好的自鎖性能，實現(xiàn)在升降行程中任意位置可靠定位。

升降平臺與活動地板運行框之間連接處安裝彈性支撐，在保證支撐剛性的前提下，提高系統(tǒng)的抗振性，同時可對在升降臺高度調(diào)整過程中可能出現(xiàn)的微小不同步進行緩沖。

活動地板運行框中安裝的主電機、糾偏調(diào)整電機的動力及信號線、冷卻水進出管線以及檢測信號線等，分別沿與運行框相連的升降桿上的導線桿輸出至流場外，在導線桿出口處固接，由架車和多功能平臺中心的走線孔引出。整個管線全部封閉，不直接暴露在風洞流場中。

2.3 前后緣設計

（1）前緣設計；前緣在活動地板工作時需承受氣動載荷，由于前緣橫向尺寸較大，兩端支撐間距較大，為避免前緣受氣動載荷作用時產(chǎn)生變形、振動，在其內(nèi)部橫向和縱向上布置筋板以提高前緣整體剛度和抗振性。如圖4所示。前緣上表面開設了一定數(shù)量的吸氣孔，以吸除前緣上表面的邊界層。

圖4 前緣結(jié)構圖Fig.4 Structural pattern of leading edge

（2）后緣設計；后緣設計相對較簡單，外形能整流即可；為提高后緣剛度，在后緣內(nèi)部布置鋼管。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

電氣控制系統(tǒng)分為狀態(tài)檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動及執(zhí)行系統(tǒng)等3部分，如圖5所示。

3.1 狀態(tài)檢測系統(tǒng)

狀態(tài)檢測系統(tǒng)包括嵌入式計算機、PLC的輸入模塊。嵌入式計算機安裝在運行框內(nèi)部，對設備運行過程中各模擬量及帶跳信號進行采集及預處理，向上位機提供所需設備狀態(tài)信號；PLC的輸入模塊主要面對設備中各數(shù)字量信號以及作為控制依據(jù)的模擬量（帶偏、活動帶張力等）進行檢測，向上位機提供所需設備狀態(tài)信號，并根據(jù)設備狀態(tài)作相應的控制。狀態(tài)檢測系統(tǒng)所檢測的信號主要包括帶輪軸承振動信號、帶輪軸承溫度信號、主電機軸承溫度信號、活動帶溫度信號、運行框傾斜度信號、帶輪轉(zhuǎn)速信號和活動帶跳動信號等。

圖5 電氣控制系統(tǒng)Fig.5 Electrical control system

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機、現(xiàn)場調(diào)試人機界面、PLC組成，以上位機為上層控制核心；現(xiàn)場調(diào)試人機界面作為系統(tǒng)調(diào)試時上位機控制功能的延伸，在現(xiàn)場調(diào)試過程中對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控；PLC作為底層控制系統(tǒng)，接受上位機指令及現(xiàn)場狀態(tài)信息對驅(qū)動及執(zhí)行系統(tǒng)進行控制。上位機具有兩種控制模式：自動運行模式和手動調(diào)整模式。主要對活動帶速度、活動帶偏移及張緊、活動帶跳動、升降平臺高度位置、系統(tǒng)掉電保護等進行控制和調(diào)節(jié)。

3.3 驅(qū)動及執(zhí)行系統(tǒng)

驅(qū)動及執(zhí)行系統(tǒng)由各執(zhí)行件（主電機、伺服電機、輔助系統(tǒng)動力源等）及其驅(qū)動裝置組成，根據(jù)PLC的控制信號執(zhí)行相應的動作。

4 引導性試驗典型結(jié)果

為了考核活動地板系統(tǒng)的性能及其與風洞其它設備組合使用時的整體協(xié)調(diào)性，采用YF－16（1：9）標模進行了一期引導性試驗，獲取了活動地板系統(tǒng)對風洞落差系數(shù)的影響、活動帶運行對邊界層消除情況以及YF－16飛機模型在不同地板狀態(tài)下偏襟翼25°時的地面效應試驗數(shù)據(jù)。

4.1 活動地板系統(tǒng)對風洞落差系數(shù)的影響

表1給出了活動帶靜止不動時不同地板高度和不同試驗風速下風洞的落差系數(shù)。在試驗風速范圍內(nèi)，隨活動地板逐步偏離試驗段中心線，風洞的落差系數(shù)逐步減小，活動地板越靠近風洞中心，對試驗段流場影響越大；地板高度為h1、h3、h4和h5時，風洞落差系數(shù)分別為1.342、1.337、1.328和1.304。在地板高度h1，隨試驗風速增大，風洞落差系數(shù)有增大趨勢。在其它地板高度，隨試驗風速增大，風洞落差系數(shù)無明顯變化。另外，試驗時也研究了活動帶運行對風洞落差系數(shù)的影響，測量結(jié)果表明活動帶運行對風洞落差系數(shù)影響不大，較活動帶靜止不動時略有增大，量值在1%以內(nèi)。

表1 地板狀態(tài)風洞落差系數(shù)結(jié)果Table 1 Results of head coefficients

4.2 活動帶運行時邊界層的消除情況

表2給出了活動地帶靜止不動時不同試驗風速下的地板邊界層厚度。在同一測量位置，在試驗風速范圍內(nèi)，地板邊界層厚度為一定值。地板邊界層厚度沿氣流方向增長較快，從前往后，地板邊界層厚度逐步增大，在X＝1070、310、－821處（坐標原點位于試驗段中心，X指向來流方向），地板邊界層厚度分別為11、21、43mm。試驗研究了活動帶運行對地板邊界層的消除情況，考慮到活動地板運行的安全性，測量耙不能太靠近活動帶，當測量耙最下端測壓管離地板上表面10mm時，在測量位置X3＝－821mm處，當活動帶運行速度與試驗風速同為50m／s時，沒有檢測到地板上表面存在邊界層。

表2 邊界層測量結(jié)果Table 2 Results of boundary layer thickness

4.3 地面效應隨地板高度的變化規(guī)律

圖6給出了試驗風速V＝50m／s、活動帶運行速度Vb＝50m／s時，在不同地板高度下YF－16飛機模型（δf＝25°）升力和俯仰力矩特性隨飛機迎角變化曲線。地面效應對飛機的縱向特性影響較大，地面效應使得飛機升力增大、升力線斜率增大、飛機的縱向靜穩(wěn)定性增強。飛機與地面越接近，地面效應影響效果越強。另外，同一地板高度，地面效應對飛機的影響隨飛機迎角變化而變化。

4.4 活動地板與固定地板對地面效應試驗結(jié)果的影響

圖7給出了YF－16飛機模型（δf＝25°）試驗風速V＝50m／s，活動地板（活動帶運行速度Vb＝50m／s）與固定地板兩種模擬方法獲得的縱向特性的差量值曲線，表3給出了對應狀態(tài)縱向特性參數(shù)的差量值。

圖6 不同地板高度下縱向特性曲線Fig.6 Longitudinal characteristics at different floor heights

圖7 活動地板與固定地板差量隨地板高度變化曲線Fig.7 Life and pitching moment differences between fixed and moving belt floor

活動地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應試驗結(jié)果有較大差別。與固定地板試驗結(jié)果相比，活動地板試驗結(jié)果的升力系數(shù)減小，升力線斜率增大，阻力系數(shù)增大，俯仰力矩增大，縱向靜穩(wěn)定性增強；在試驗的地板高度范圍，活動地板與固定地板的差量為 ΔCLα＝0.001～0.003，ΔCL＝ －0.014～－0.028，ΔCD＝0.003～0.006，＝－0.008～－0.013，ΔCm＝0.008～0.011（α＝0°時）?；顒拥匕搴凸潭ǖ匕鍍煞N模擬方法獲得地面效應試驗結(jié)果的差量隨地板高度和飛機迎角的變化而變化。說明：Δ＝活動地板－固定地板

表3 縱向特性參數(shù)的差量值（δf＝25°）Table 3 Differences of longitudinal characteristics

5 結(jié) 論

通過對Φ3.2米風洞活動地板裝置的設計、電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)、YF－16模型試驗驗證，得出以下結(jié)論：

（1）Φ3.2米風洞活動地板試驗系統(tǒng)的性能指標達到了設計要求，活動帶最大運行速度為60m／s。

（2）活動地板在試驗段的安裝高度對風洞落差系數(shù)有明顯影響，同一地板高度不同試驗風速下，風洞落差系數(shù)無明顯變化。

（3）活動帶不運行時，地板邊界層厚度沿氣流方向增長較快；當活動帶運行速度與試驗風速相同時，可以完全消除地板邊界層。

（4）活動地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應試驗結(jié)果存在較大差異，且差量隨地板高度和飛機迎角的變化而變化。

［1］楊炯，梁鑒，李征初.活動地板關鍵技術研究［J］.實驗流體力學，2008，22：68－71.

［2］FAGO B，LINDNER H，and MAHRENHILTZ O.The effect of ground simulation on the flow around vehicles in wind tunnel testing［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1991，38：47－57.

［3］KWON H，PARK Y W，LEE D，et al.Wind tunnel experiments on Korean high－speed trains using various ground simulation techniques［J］.Journal of Wind Engineering ＆ Industrial Aerodynamics，2001，89：1179－1195.

［4］COGOTTI.Ground effect simulation for full－scale cars in the Pininfarina Wind Tunnel［R］.1995.

［5］COGOTTI.The new moving ground system of the Pininfarina Wind Tunnel［R］.SAE 2007－01－1044，2007.

［6］董 娟，段志善，陳 凱，等.PID控制器在帶材跑偏控制系統(tǒng)中的應用研究［J］.機械設計與制造，2009：91－93.

［7］CHENG H，YANABE S，IWATA Y，et al.Belt centering effects of crowning roller［J］.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，2002，68：2911－2917，2002.

［8］KOBAYASHI Y and TOYA K.Effect of belt transport speed and other factors on belt mistracking［J］.Microsystem Technologies，2007，13：1325－1330.

［9］BENSON R C.Lateral dynamics of a moving web with geometrical imperfection［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement and Control，2002，124：25－34.

李征初（1965－），男，湖南常德人，研究員。研究方向：低速空氣動力學。通訊地址：中國空氣動力研究與發(fā)展中心（621000）；E－mail：lzc61271＠126.com。

Development of moving belt floor inΦ3.2mwind tunnel

LI Zheng－chu1，2，YANG Jiong1，LIANG Jian1，LI Jin－yong1
（1.Low Speed Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research ＆ Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang Sichuan 621000，China）

In wind tunnel tests，the quantification of aircraft＇s ground effects is generally obtained through both fixed floor and moving belt floor simulations.Due to the effect of boundary layer，it is impossible to simulate the real near－ground flights with fixed floor.When using moving belt floor，no boundary layer exists on the surface of the belt floor since the velocity of moving belt is the same as the oncoming wind.Therefore，moving belt floor can simulate the real near－ground fights，improving the test precision of ground effects.This paper describes the development of the moving belt floor inФ3.2mwind tunnel，including the system frameworks and main technical specifications.The test results of YF－16 model have shown that the maximum speed of the moving belt is 60m／s and the moving belt floor has achieved the design requirements.A visible difference can be identified between these two simulations and the difference changes with the variation of heights and flight angles.

aircraft；ground effect；moving belt floor；wind tunnel

V211.72

A

1672－9897（2011）04－0089－05

2010－12－27；

2011－05－08