馬 軍，姜裕標(biāo)，祝明紅，梁 鑒，熊建軍，蔣 敏

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

在飛機(jī)研制過程中，需要進(jìn)行大量的飛機(jī)尾旋特性研究，其中，很重要的研究手段就是飛機(jī)的旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)。立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置是為開展飛機(jī)尾旋特性研究而研制的重要基礎(chǔ)設(shè)備，主要用于測(cè)定模型繞風(fēng)軸以不同速率作等速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動(dòng)特性，為飛機(jī)尾旋特性的分析和預(yù)測(cè)提供必要的氣動(dòng)數(shù)據(jù)［1］。該裝置主要包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)3大部分，涉及機(jī)械、力學(xué)、電氣、測(cè)量和控制等多個(gè)學(xué)科。該裝置采用雙立柱弧形軌結(jié)構(gòu)形式，采用網(wǎng)絡(luò)一體化試驗(yàn)管理、控制模式，不但能夠開展旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)，而且還具備動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)、大迎角試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)／振蕩耦合試驗(yàn)等功能［2］。

1 機(jī)械系統(tǒng)組成

Φ5m立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置機(jī)械系統(tǒng)主要由雙立柱、弧形軌、橫梁、支桿（尾撐、背撐、腹撐）、滑車、支架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸、變速箱、引電器、中心體、平衡臂、模型、靜止空氣阻尼扣除機(jī)構(gòu)和支撐平臺(tái)組成，如圖1所示。該裝置采用雙立柱形式牢固連接于地面，通過地面導(dǎo)軌可方便地將該試驗(yàn)裝置移入或移出試驗(yàn)段。弧形軌為1／2圓，半徑為2m，最大旋轉(zhuǎn)速率100r／min，轉(zhuǎn)速控制精度0.5r／min，模型通過支桿、滑車安裝在弧形軌的一端；弧形軌的另一端通過滑車、平衡臂安裝配重。模型支撐可以采用尾撐、背撐和腹撐等方式，能夠?qū)崿F(xiàn)模型姿態(tài)角的自動(dòng)控制和無級(jí)定位，試驗(yàn)時(shí)，通過滑車在弧形軌上移動(dòng)來改變模型支桿的俯仰角和支桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)來改變模型支桿的滾轉(zhuǎn)角，兩者的組合即可獲得所要求的模型迎角和側(cè)滑角，迎角變化范圍±180°，側(cè)滑角變化范圍±90°，姿態(tài)角控制精度0.1°。試驗(yàn)裝置可以通過調(diào)節(jié)支桿絲杠，模擬尾旋半徑，最大模擬半徑0.5m。

圖1 Φ5m立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置示意圖及照片F(xiàn)ig.1 Sketch and photo of rotary balance equipment inΦ5mvertical wind tunnel

2 控制系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括：裝置沿試驗(yàn)大廳地面導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)控制，弧形軌的旋轉(zhuǎn)速度控制，滑車1和滑車2沿弧形軌的精確定位控制，模型在尾撐機(jī)構(gòu)上的滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)振蕩控制，模型在背撐支桿機(jī)構(gòu)上的俯仰振蕩控制，控制系統(tǒng)安全防護(hù)與連鎖等，旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

旋轉(zhuǎn)天平控制軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（a）控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置：包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、弧形軌旋轉(zhuǎn)速度和振蕩頻率等；

（b）試驗(yàn)進(jìn)程控制：包括設(shè)備自檢、試驗(yàn)運(yùn)行和試驗(yàn)結(jié)束等試驗(yàn)進(jìn)程的控制；

（c）旋轉(zhuǎn)、定位、角度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)；

（e）安全保護(hù)：包括監(jiān)控軟件運(yùn)行條件和前端控制器聯(lián)鎖保護(hù)兩個(gè)層次。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the control system

按照系統(tǒng)單元的組成分類，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

（a）各控制機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行系統(tǒng)：包括運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、編碼器等；

（b）上位機(jī)控制系統(tǒng)：包括PLC控制系統(tǒng)、操作臺(tái)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、控制軟件等；

（c）滑環(huán)引電器：將旋轉(zhuǎn)弧形軌前端機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源和控制信號(hào)、天平電源和信號(hào)等傳輸至控制間；

（d）控制網(wǎng)絡(luò)：包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)與PLC間、PLC與操作臺(tái)總線表和驅(qū)動(dòng)器之間兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)，將驅(qū)動(dòng)器、PLC、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備組網(wǎng)。

3 測(cè)量系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置測(cè)量系統(tǒng)由運(yùn)行管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)采用分布式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行管理軟件的統(tǒng)一指揮下，協(xié)調(diào)執(zhí)行各子系統(tǒng)軟件的相應(yīng)功能，各子系統(tǒng)通過DataSocket通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)指令、信息、參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳遞，綜合完成試驗(yàn)任務(wù)。測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

運(yùn)行管理軟件是測(cè)量系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)的調(diào)度管理。軟件功能模塊主要包括運(yùn)行管理、轉(zhuǎn)速序列管理、網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)劃管理。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用NI公司的PXI總線儀器和工控機(jī)組成。天平信號(hào)通過滑環(huán)引電器到PXI信號(hào)調(diào)理模塊，經(jīng)過放大后送入數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集軟件功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、采集參數(shù)設(shè)置、信號(hào)監(jiān)視和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，既可以聯(lián)網(wǎng)操作，也可以脫離局域網(wǎng)獨(dú)立完成采集功能。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the measurement system

數(shù)據(jù)處子理系統(tǒng)主要任務(wù)是承擔(dān)旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算處理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的組織與管理。主要包括計(jì)算步驟選擇模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊和網(wǎng)絡(luò)管理模塊，具有脫機(jī)和聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行功能。

4 引導(dǎo)性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

Φ5m立式風(fēng)洞為單回流、圓形開口試驗(yàn)段風(fēng)洞，試驗(yàn)段直徑5m、射流長(zhǎng)度7.5m、空風(fēng)洞最大風(fēng)速50m／s。測(cè)力天平為TG0404A桿式六分量應(yīng)變天平，其載荷見表1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镴－7E（1∶10）旋轉(zhuǎn)天平模型，該模型采用玻璃鋼殼體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為13.56kg，其主要參數(shù)見表2。

表1 J－7E（1：10）旋轉(zhuǎn)天平模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of J－7E（1：10）model

表2 專用天平TG0404A設(shè)計(jì)載荷Table 2 The specified load of balance TG0404A

4.2 試驗(yàn)方法

模型在繞風(fēng)軸系旋轉(zhuǎn)過程中，作用在天平上的力有模型的重力、慣性力和氣動(dòng)力3部分。因此，必須從天平測(cè)量結(jié)果中扣除模型的重力、慣性力這些附加載荷。旋轉(zhuǎn)引起的慣性力是在無風(fēng)狀態(tài)下利用正、反轉(zhuǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)相加取平均來獲得，因重力始終指向來流方向，在試驗(yàn)過程中保持不變，因此，在數(shù)據(jù)處理時(shí)將自動(dòng)消除重力的影響。每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的采樣頻率為500Hz、周期為5圈，取平均值作為該試驗(yàn)點(diǎn)的載荷數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)參數(shù)λ的變化范圍為－0.21～0.21，Δλ＝0.03。

4.3 結(jié)果分析

表3給出了模型基本構(gòu)型狀態(tài)下，α＝5°、V＝15ｍ／ｓ時(shí)的重復(fù)性精度，由表3結(jié)果可見，結(jié)果精度達(dá)到GJB要求。

表3 J－7E基本構(gòu)型狀態(tài)旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)重復(fù)性精度（α＝5°，β＝0°，V＝15m／s）Table 3 Accuracy of rotary balance repetition test with J－7Emodel（α＝5°，β＝0°，V＝15m／s）

在0°≤α≤90°范圍內(nèi)，J－7E（1∶10）模型的旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)結(jié)果與在4m×3m風(fēng)洞中相應(yīng)狀態(tài)下獲得的旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。圖4給出了α＝30°、β＝0°時(shí)，兩座風(fēng)洞獲得的結(jié)果的對(duì)比曲線，由圖可見，該試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。從圖4的比較來看，在較大的旋轉(zhuǎn)參數(shù)狀態(tài)下，兩座風(fēng)洞獲得的結(jié)果存在一定的差異，這可能與模型狀態(tài)、試驗(yàn)風(fēng)速、洞壁干擾以及支架干擾等因素有一定的關(guān)系，但從縱向氣動(dòng)分量關(guān)于λ＝0的對(duì)稱性以及橫向分量的線性度來看，該試驗(yàn)結(jié)果要略好于在4m×3m風(fēng)洞中所獲得的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5給出了β＝0°、V＝15m／s時(shí)，各迎角狀態(tài)下各氣動(dòng)分量隨旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律。由圖可見，縱向氣動(dòng)分量關(guān)于λ＝0的對(duì)稱性良好、橫向氣動(dòng)分量隨迎角和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律合理。該規(guī)律與文獻(xiàn)［3］一致。這也說明研制的旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置具備開展飛機(jī)模型旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)研究的能力。

5 結(jié) 論

（1）通過對(duì)引導(dǎo)性試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明，Φ5m立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平裝置滿足飛機(jī)模型旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)要求，試驗(yàn)結(jié)果精度達(dá)到國(guó)軍標(biāo)指標(biāo)要求，與4m×3m風(fēng)洞所獲得的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，表明利用該裝置開展飛機(jī)模型旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)是可行的；

（2）在β＝0°時(shí)，各迎角狀態(tài)下獲得縱向氣動(dòng)分量關(guān)于λ＝0的對(duì)稱性良好、橫向氣動(dòng)分量隨迎角和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律合理，部分狀態(tài)略優(yōu)于4m×3m風(fēng)洞所獲得的試驗(yàn)結(jié)果。這表明，在Φ5m立式風(fēng)洞中進(jìn)行飛機(jī)模型旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)更具一定的優(yōu)勢(shì)。

［1］ 沈禮敏.飛行器旋轉(zhuǎn)模型風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)［R］.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，1993.

［2］ 姜裕標(biāo).Ф5m立式風(fēng)洞旋轉(zhuǎn)天平試驗(yàn)裝置研制總結(jié)［R］.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所，2010.

［3］ 祝明紅，沈禮敏.J－7E型飛機(jī)1：10模型第一期旋轉(zhuǎn)天平測(cè)力報(bào)告［R］.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，1991.

［4］ 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 1061－91高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)精度指標(biāo)［S］.北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1992.

［5］ 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB 3480－98飛行器模型旋轉(zhuǎn)、振蕩運(yùn)動(dòng)低速風(fēng)洞試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)人民解放軍總裝備部，1998.