趙尚武 張紅 成宋桀

摘 要：文章介紹了側(cè)滑儀的結(jié)構(gòu)，快速性測試原理及方法，并對側(cè)滑儀在擺動過程中的受力和運動狀態(tài)進(jìn)行了分析。通過側(cè)滑儀在圓周平面內(nèi)的擺動，模擬側(cè)滑儀在工作過程中的側(cè)滑。通過專用試驗器測試了在側(cè)滑儀不同的擺動速度情況下，小球的最大擺角，進(jìn)而用阻尼液體的粘性摩擦系數(shù)定量表征側(cè)滑儀的快速性。

關(guān)鍵詞：側(cè)滑儀；快速性；粘性摩擦系數(shù)

1 結(jié)構(gòu)及原理簡介

玻璃側(cè)滑儀主要由玻璃管、阻尼液體和小球組成，利用小球敏感并指示側(cè)滑，當(dāng)飛行器產(chǎn)生側(cè)滑時小球滑動的速度和量值及時反映出側(cè)滑的程度[1]。模擬側(cè)滑儀工作狀態(tài)的加載設(shè)備大體分為兩大類。第一類是與側(cè)滑儀保持方向不變的直線運動設(shè)備，這種設(shè)備占用空間較大，不易實現(xiàn)；另一類是提供圓周運動的設(shè)備，其運動角速度可以設(shè)定。文章采取第二種方法，試驗器采用電機(jī)驅(qū)動，可使得側(cè)滑儀在豎直平面內(nèi)進(jìn)行勻速擺動，小球的運動可采用單擺的原理分析。通過分析小球的運動狀態(tài)來確定側(cè)滑儀快速性，并用玻璃管內(nèi)的阻尼液體的粘性摩擦系數(shù)表征快速性。側(cè)滑儀在試驗器上的安裝方式如圖1所示。

圖1 側(cè)滑儀在試驗器上的安裝示意圖

2 側(cè)滑儀擺動時小球的受力及運動過程分析

啟動試驗器的驅(qū)動電機(jī)，試驗器的運動擺將帶動側(cè)滑同時在豎直平面內(nèi)以設(shè)定的角速度ω和幅值Φ擺動。根據(jù)流體力學(xué)理論，當(dāng)黏性流體繞小球流動時，小球受到流體的壓強(qiáng)和切向應(yīng)力的作用，合力分解為與小球運動方向一致的作用力Fd和垂直于小球運動方向的升力FL。當(dāng)側(cè)滑儀在豎直平面內(nèi)做勻角速運動時，小球的受力分析如圖2所示，其中VQ為小球的速度，VK為玻璃管的速度，β為小球相對于地垂線的夾角，R為玻璃管和小球擺動軌跡的半徑。側(cè)滑儀的快速性是由在側(cè)滑儀擺動時小球運動的最大角度βmax表示。

圖2 試驗器逆時針擺動時小球受力分析示意圖

在側(cè)滑儀從中心平衡位置開始旋轉(zhuǎn)時，VQ

（1）

通過分析F合的變化，可將小球從中心平衡位置開始運動到最大擺動角度的過程分為三個階段：

（1）當(dāng)β=0°時，VQ=0，則Fd=-k（VQ-VK）=kVK，F(xiàn)合=Fd，此時小球所受加速度最大；隨著β逐漸增大，VQ也逐漸增大，則F合不斷減小。

（2）當(dāng)F合減小到0時，小球速度達(dá)到最大值。而后玻璃管和小球繼續(xù)向右運動，其所受合力為F合=mgsinβ-k（VK-VQ），小球開始做減速運動。

（3）當(dāng)小球運動到最大角度位置βmax時，VQ=0，則由公式（1）得F合=mgsinβmax-kVK。由于此時側(cè)滑儀仍沿逆時針擺動，所以可得F合=0，且小球一直保持VQ=0的狀態(tài)直至側(cè)滑儀擺動到最大角度?？傻?/p>

（2）

由公式（2）知，小球隨玻璃管擺動的最大角度βmax越大，則粘性摩擦系數(shù)k越大，即小球跟隨側(cè)滑儀玻璃管運動的速度越快。其中VK可通過電機(jī)的控制電路自由設(shè)定。

小球的最大運動角度βmax用試驗器運動擺的指針格數(shù)n表征。

3 快速性測試結(jié)果

設(shè)定玻璃管擺動的角速度分別為5°/s、6°/s、7°/s時，分別測試了小球的最大擺角βmax，根據(jù)公式（2）可計算出在該三種側(cè)滑速度情況下所反映出粘性摩擦系數(shù)結(jié)果，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 三次測試中粘性摩擦系數(shù)分布情況圖

通過對比三次試驗測出的粘性摩擦系數(shù)可知：

（1）11只被測樣品的粘性摩擦系數(shù)略有不同：序號1～序號9樣品的粘性摩擦系數(shù)較接近，序號10樣品的粘性摩擦系數(shù)較小，序號11樣品的粘性摩擦系數(shù)較大。

（2）從差異情況中可以看出，每只樣品的粘性摩擦系數(shù)并非在三次測試中完全不一樣。由于實際測試中記錄小球最大擺動角度的誤差，因此測試出的粘性摩擦系數(shù)的誤差小于20%是允許的。

4 結(jié)束語

綜合上述的測試及分析結(jié)果，可知被測樣品的粘性摩擦系數(shù)的范圍是（0.11～0.21）g/s。以此為依據(jù)，后續(xù)生產(chǎn)的該型號側(cè)滑儀的粘性摩擦系數(shù)在此范圍內(nèi)都可判定為合格。

參考文獻(xiàn)

[1]余思堯.飛行模擬器側(cè)滑儀的數(shù)學(xué)模型[J].北京航空學(xué)院學(xué)報，1986（3）：55-69.