賀 偉，高 昌，＊，張小慶，于時恩

脈沖燃燒風洞測力天平研制與應(yīng)用

賀 偉1，高 昌1，＊，張小慶2，于時恩2

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力學研究所高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室，四川綿陽621000；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心吸氣式高超聲速技術(shù)研究中心，四川綿陽 621000）

介紹了一種用于脈沖燃燒風洞高超重載模型冷、熱態(tài)測力試驗的腹支內(nèi)式六分量應(yīng)變天平研制方案。燃燒脈沖風洞試驗時間短、沖擊載荷大，模型重量大，要求天平能夠快速響應(yīng)，設(shè)計方案兼顧了剛度和靈敏度，天平靜校指標滿足要求。試驗結(jié)果表明，天平輸出信號與燃燒室壓力的跟隨性良好，能夠正確反映模型的受力狀態(tài)，軸向力系數(shù)的重復(fù)性精度達到了1.6%，天平性能穩(wěn)定，由模型／天平／支架構(gòu)成的測力系統(tǒng)在軸向力、法向力和俯仰力矩3個分量上輸出信號的主頻均滿足脈沖風洞的測力要求。該天平方案滿足重載模型在脈沖燃燒風洞試驗中的測力要求。

應(yīng)變天平；脈沖燃燒風洞；快速響應(yīng)

0 引 言

吸氣式高超聲速技術(shù)的研究離不開高焓地面設(shè)備［1－4］，受建設(shè)和運行成本等因素制約，常規(guī)高超聲速風洞總焓較低，無法模擬高空高速的飛行條件；而激波風洞有效試驗時間較短（～10ms），對測試技術(shù)要求較高。實踐表明［5－6］，采用燃燒加熱獲得長時間的高焓氣體是一種經(jīng)濟有效的方式。從1980年開始，中國空氣動力研究與發(fā)展中心就致力于發(fā)展這類燃燒加熱設(shè)備和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)［7－9］，脈沖型燃燒風洞容易實現(xiàn)大口徑、大流量，經(jīng)過多年的發(fā)展，先后建成了Φ600mm脈沖燃燒風洞和Φ2.4m脈沖燃燒風洞，為大縮比尺寸高超模型地面試驗提供了條件。

大縮比尺寸模型重量較大，脈沖燃燒風洞有效試驗時間相對連續(xù)式風洞較短，這為測力天平的研制提出了新的要求。為了滿足大縮比尺寸的重模型在脈沖燃燒風洞的測力要求，本文作者研制了一種腹支內(nèi)式六分量應(yīng)變天平。模型重量大、試驗時間短，天平需要具備較高的剛度，保證整個測力系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性；另一方面，為了滿足測力結(jié)果的精準度要求，天平該應(yīng)具有較好的靈敏度，協(xié)調(diào)好天平剛度與靈敏度之間的關(guān)系是本文天平設(shè)計的主要難點。

1 天平方案

1.1設(shè)計要求

脈沖燃燒風洞采用氫氧燃燒加熱的方式，風洞啟動和停車時沖擊載荷較大，試驗來流總溫較高（＞1000K），有效試驗時間短（～0.5s），同時試驗?zāi)Ｐ椭亓枯^大（～800kg），在脈沖燃燒風洞開展模型冷、熱態(tài)測力試驗，天平需要滿足以下要求，

（1）模型采用腹部支撐，天平位于模型內(nèi)部，天平的安裝空間有限，天平外形需滿足特定的尺寸約束；

（2）脈沖燃燒風洞有效試驗時間短，模型重量較大，天平測量元件需具有較大的剛度，保證整個測力系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)頻率；

（3）冷、熱態(tài)工況下試驗?zāi)Ｐ洼S向力的增量是評價高超飛行器推阻性能的重要參數(shù)，而冷、熱態(tài)下軸向力載荷變化較大，天平應(yīng)具有較高的靈敏度，保證測力結(jié)果在整個載荷變化范圍內(nèi)具有較高的精準度；

（4）脈沖燃燒風洞在啟動和停車時，模型會受到較大的沖擊載荷，需采取保護措施防止天平損壞，同時試驗來流總溫高，對天平測量元件需采取一定隔離措施，防止應(yīng)變片受到熱氣流沖擊而損壞。

1.2技術(shù)措施

針對天平的設(shè)計要求，有針對性地提出了以下解決措施：

（1）為了滿足尺寸約束，天平采用了“整體梁式”設(shè)計（如圖1所示），上端是浮動端，下端是固定端，在天平兩端分別設(shè)置2個軸向力和法向力測量元件以及1個側(cè)向力測量元件，天平的整體尺寸為1200 mm×160mm×160mm，滿足模型的尺寸約束。

（2）為了協(xié)調(diào)好天平剛度和靈敏度之間的關(guān)系，在保證天平剛度的同時又具有較好的靈敏度，測量元件均采用“T”字形豎直梁式元件，每個測量元件兩側(cè)輔以數(shù)量不等的彈性支撐片，這樣測量元件只在其測量方向呈現(xiàn)彈性，在其他方向近乎剛體，在保證測量靈敏度的同時，提高了天平的剛度，同時也減小了各分量之間的干擾。天平材料采用馬氏體時效鋼F1 41（00Ni18Co9Mo5TiAl），材料力學性能如表1所示。根據(jù)天平的量程和材料的力學性能，軸向力元件的尺寸為8mm×19.7mm×20mm，法向力元件的尺寸為10mm×19.7mm×20mm，側(cè)向力元件的尺寸為10mm×19.7mm×20mm，軸向力和法向力元件兩側(cè)設(shè)置有12個彈性支撐片，側(cè)向力元件兩側(cè)設(shè)置有24個彈性支撐片（如圖2所示）。

圖1 天平示意圖Fig.1 Schematic of the balance

圖2 天平結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the balance structure

天平組橋方式如圖3所示，各測量元件應(yīng)變片粘貼時盡量靠近梁根部，應(yīng)變計采用中航電測ZF350－3 AA型應(yīng)變計；電橋B1、B2分別由處于對角線的2個軸向力元件X1、X4和X2、X3進行兩兩組橋，以增大軸向力的測量靈敏度，電橋B3～B8分別由4個法向力元件和2個側(cè)向力元件Y1、Y2、Y3、Y4、Z1、Z2進行單獨組橋，公式（1）為各載荷分量信號的處理公式。

圖3 天平組橋方案Fig.3 Diagram of the balance gauge bridges

表1 天平材料力學性能Table 1 Mechanical properties of the balance material

（3）天平的固定端和浮動端設(shè)計有2個安全保險銷和4個限位塊，通過調(diào)節(jié)安全銷的直徑和限位塊的間隙確保在天平過載時進行限位，防止天平損壞；同時天平兩端設(shè)計有保護罩，隔離熱氣流對應(yīng)變片等測量元件的沖擊（見圖1和2）。

2 有限元計算

2.1網(wǎng)格劃分

在天平設(shè)計方案確定后，采用有限元分析方法對天平進行了強度校核和應(yīng)變計算，有限元計算軟件采用了ANSYS Workbench的有限元分析模塊。為了減小網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計算時間，在網(wǎng)格劃分時忽略了圓角、倒角和異型孔等特征，整體網(wǎng)格的尺寸控制為5mm，在測量元件、彈性支撐片等部位網(wǎng)格尺寸控制為1mm，網(wǎng)格總數(shù)為171萬（如圖4所示）。

2.2天平強度校核

天平量程根據(jù)模型的氣動載荷和重量來確定（見表2）。在進行強度校核時，對天平施加2種載荷，第1種載荷按照天平量程進行六分量綜合加載，第2種載荷考慮了脈沖燃燒風洞試驗中模型可能受到的沖擊載荷。表2給出了2組載荷的大小和最大等效應(yīng)力的計算結(jié)果，圖5給出了2組載荷下天平變形的計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，在按照天平量程進行綜合加載時，天平最大變形為0.22mm，最大等效應(yīng)力為203.1MPa；按照沖擊載荷進行加載時，天平最大變形為0.61mm，最大等效應(yīng)力為778.4MPa。在2種載荷下天平的最大等效應(yīng)力均在材料的屈服極限范圍內(nèi)，可保證天平在沖擊載荷的作用下不受損壞。

表2 天平強度校核結(jié)果Table 2 Strength assessment results of the balance

圖5 天平變形計算結(jié)果Fig.5 Finite analysis displacement results of the balance

2.3天平應(yīng)變計算

為了對天平各分量之間的干擾進行定量分析，在有限元計算中按照天平量程對各分量進行單獨加載，得到了測量元件貼片處沿應(yīng)變片絲柵方向的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)得到其電阻變化值，再根據(jù)天平組橋方式得到模擬加載條件下各分量的輸出電壓與供橋電壓的比值，表3給出了計算結(jié)果。從計算結(jié)果來看，由于計算時加載點取在天平上表面幾何中心，加載點與側(cè)向力元件和法向力元件中心在法向上位置存在差異，造成側(cè)向力對滾轉(zhuǎn)力矩存在約17%的干擾，滾轉(zhuǎn)力矩對側(cè)向力矩存在約6%的干擾，實際使用時在天平公式中引入二次干擾項對該干擾進行修正。天平其他分量之間干擾均較小。

表3 模擬加載天平輸出Table 3 Simulative output of the balance

3 天平靜校結(jié)果

天平靜校在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所的TJZ－01校準架上進行地軸校準，校準中心位于天平上表面幾何中心垂直上方90mm處。靜校結(jié)果如表4所示，天平精準度滿足GJB2244A－2011《風洞應(yīng)變天平規(guī)范》［10］合格指標的要求，部分指標達到先進要求。

表4 天平靜校結(jié)果Table 4 Static calibration results of the balance

4 測力試驗

模型測力試驗在脈沖燃燒風洞開展，試驗來流馬赫數(shù)為6，圖6、7分別給出了熱流工況下軸向力、法向力和俯仰力矩信號曲線（Balance－X，Balance－Y，Balance－Mz）、3個分量低通濾波（截止頻率10Hz）后的信號曲線（X－Filter，Y－Filter，Mx－Filter）、來流總壓（p0）、燃燒室壓力（Comb pressure）以及供油壓力（Fuel supply）信號曲線。由總壓信號可知，風洞啟動激波在0.84s左右到達試驗段，同一時刻油路開始供油，1.00s左右風洞來流趨于穩(wěn)定，但此時燃料還未噴注到位，燃燒室未點火，模型處于冷流狀態(tài)；隨著風洞總壓逐漸趨于平穩(wěn)，燃燒室壓力也趨于平穩(wěn)，縱向3個氣動力、力矩信號開始輸出且振蕩逐漸衰減，此時軸向力信號輸出為正，模型在軸向受到阻力；發(fā)動機在1.21s實現(xiàn)點火，隨之燃燒室壓力迅速上升，并在1.26s左右達到穩(wěn)定，天平軸向力迅速反號，表明發(fā)動機輸出了正推力，發(fā)動機點火對法向力信號沒有明顯影響，俯仰力矩信號有小幅增加，在這個過程中3個分量信號隨時間有明顯衰減；1.66s左右，真空箱反壓開始沖擊到模型上，有效試驗時間結(jié)束，發(fā)動機熄火，風洞停車時的沖擊載荷導致天平信號出現(xiàn)了劇烈振蕩。天平輸出正確反映了模型的受力狀況，與燃燒室壓力的跟隨性良好。

圖6 軸向力信號時序曲線Fig.6 Sequence signal profile of the Balance－X

圖7 法向力、俯仰力矩信號時序曲線Fig.7 Sequence signal profile of the Balance－Yand Balance－Mz

圖8 天平信號頻譜Fig.8 Frequency spectrum of the balance signal

表5 重復(fù)性考核結(jié)果Table 5 Results of the repeated calibration

脈沖風洞測力試驗一般要求獲得不少于6個周期的天平信號［11－12］。根據(jù)對天平輸出信號的頻譜分析，軸向力信號的主頻為36.4Hz，法向力信號的主頻為51.5Hz，俯仰力矩信號的主頻為25.3Hz（見圖8），均滿足脈沖風洞測力要求，說明由模型／天平／支架構(gòu)成的測力系統(tǒng)的剛度良好。在天平信號取值時，要求總壓波動和天平濾波信號波動小于5%，并且燃燒室壓力信號穩(wěn)定，取該有效試驗數(shù)據(jù)時間內(nèi)天平未濾波信號周期最多的數(shù)據(jù)段。根據(jù)該取值方法，天平縱向3個分量信號可取的周期數(shù)和主頻見表6。

表6 天平信號主頻和有效數(shù)據(jù)周期數(shù)Table 6 Eigen frequency and number of periods of the valid balance signal

在試驗過程中，受風洞啟動和停車時沖擊載荷影響，模型振動強烈，天平工作環(huán)境較惡劣，為了對天平測力結(jié)果進行重復(fù)性考核，在同一馬赫數(shù)、迎角下進行了冷流重復(fù)性試驗，表5給出了試驗結(jié)果。根據(jù)試驗結(jié)果，風洞總壓的精度為0.79%，風洞運行穩(wěn)定，軸向力系數(shù)的精度為1.60%，天平測力結(jié)果重復(fù)性較好，性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

脈沖燃燒風洞試驗時間短，模型重量大以及快速精準測力的要求給天平設(shè)計提出了較高的要求，本文所提出的天平方案采用“整體梁式”設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊；測量元件采用“T”字形豎直梁并輔以彈性支撐片，較好地協(xié)調(diào)了天平剛度和靈敏度之間的關(guān)系；并采用限位塊和安全銷防止天平在沖擊載荷下受到損壞。試驗測力結(jié)果表明，天平輸出信號與燃燒室的跟隨性良好，正確地反映了模型的受力狀況；由模型／天平／支架構(gòu)成測力系統(tǒng)的響應(yīng)頻率滿足脈沖風洞的測力要求；天平性能穩(wěn)定，重復(fù)性精度較高。該天平方案滿足了大縮比尺寸高超模型在脈沖燃燒風洞快速測力的要求。

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Development and application of the force－measuring balance in impulse combustion wind tunnel tests

He Wei1，Gao Chang1，＊，Zhang Xiaoqing2，Yu Shien2
（1.Science and Technology on Scramjet Laboratory，Hypervelocity Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.Airbreathing Hypersonic Technology Research Center，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

A design scheme of strutting internal six－component strain gage balance is developed to meet the requirements of aerodynamic load tests for big－weight hypersonic models under cold and hot conditions in the impulse combustion wind tunnel.The fast－response ability of balances is crucial in hypersonic force－measuring tests because of short test duration，serious impulsive load and big model weight.The mutually exclusive stiffness and sensitivity are coordinated.The balance is qualified according to static calibration results.Demonstrated by the test results，the consistency between the output signal of the balance and the combustor pressure is good，which indicates that the balance accurately reflects the aerodynamic loads of the model.Stability of the balance is confirmed by the axial force coefficient precision of 1.6%in the repeated calibration tests，and the eigen frequencies of the axial force，normal force and pitch moment signal satisfy the criteria in impulse wind tunnel tests.In conclusion，the balance has met the requirements of aerodynamic load tests of hypersonic vehicle models in impulse combustion wind tunnels.

strain gage balance；impulse combustion wind tunnel；fast－response

V211.74

：A

（編輯：張巧蕓）

1672－9897（2016）04－0066－05

10.11729／syltlx20160011

2016－01－08；

2016－04－26

＊通信作者E－mail：gaochang5678＠sina.com

He W，Gao C，Zhang X Q，et al.Development and application of the force－measuring balance in impulse combustion wind tunnel tests.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：66－70.賀 偉，高 昌，張小慶，等.脈沖燃燒風洞測力天平研制與應(yīng)用.實驗流體力學，2016，30（4）：66－70.

賀偉（1965－），男，湖南雙峰人，研究員。研究方向：超燃沖壓發(fā)動機及試驗技術(shù)。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力學研究與發(fā)展中心（621000）。E－mail：misterhewei＠qq.com