潘華燁, 王樹民, 苗磊, 王 超, 賈 巍

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川綿陽 621000)

0 引言

模型操縱面鉸鏈力矩測力試驗是飛行器設(shè)計階段主要的風(fēng)洞試驗項目之一,其目的是為了預(yù)測飛行器各操縱面的氣動力以及相對于轉(zhuǎn)軸的鉸鏈力矩的大小,為操縱裝置選擇以及舵面形狀設(shè)計提供依據(jù)[1-2]。天平是鉸鏈力矩測力試驗成功的關(guān)鍵,通常模型操縱面都很薄,天平布置空間小,而且飛行器模型外形尺寸以及舵面的類型是多種多樣的,因此用于測量舵面鉸鏈力矩的天平形式及其與模型的連接方法也是各種各樣的,必須針對具體的模型和試驗條件設(shè)計專用的鉸鏈力矩天平[3]。

高速風(fēng)洞鉸鏈力矩天平結(jié)構(gòu)主要有兩種形式:桿式結(jié)構(gòu)和片式結(jié)構(gòu)。

1 桿式鉸鏈力矩天平

桿式天平具有結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)計成熟度高,測量結(jié)果誤差小,方便安裝等優(yōu)點,是鉸鏈力矩試驗最先考慮的天平類型,主要用于彈類舵以及部分飛機操縱面的氣動力測量。桿式鉸鏈力矩天平受安裝方法限制,精準度比常規(guī)測力試驗桿式天平略低,不確定度一般在5‰以內(nèi)。桿式鉸鏈力矩天平根據(jù)安裝方式一般分為橫軸式和縱軸式。

1.1 橫軸式鉸鏈力矩天平

桿式天平軸線與所測舵面的鉸鏈軸重合時,容易實現(xiàn)舵面角度的變換,而且力矩參考點與舵面鉸鏈軸重合,所測鉸鏈力矩不用進行修正,是最常用也最簡單的鉸鏈力矩測量方法,一般將天平設(shè)計為3分量或者5分量,主要測量舵面的法向力Y、鉸鏈力矩Mj和繞x軸的力矩Mx,舵偏角較大時,還需要測量舵面阻力x和繞y軸的彎矩My。圖1給出了某鉸鏈力矩試驗的天平安裝示意圖,其中采用了兩臺五分量橫軸式天平完成兩個舵面的測量。

圖2給出了4種天平軸線與鉸鏈軸重合的橫軸式天平。通常為避免坐標系轉(zhuǎn)換,采用天平和舵面一起轉(zhuǎn)動的方法,天平和舵面可以加工為一體(天平A、天平B和天平D),也可以分開加工(天平C)。當然也可以固定天平,只改變舵面角度進行試驗,但是這種情況下需要對測量結(jié)果進行軸系轉(zhuǎn)換。天平測力梁的設(shè)計與常規(guī)桿式天平類似,主要有分段式(天平A)和一體式(天平B)。還有一種單分量橫軸式天平(天平D),通過使用軸承以及對稱元件結(jié)構(gòu)抵消掉除鉸鏈力矩以外的力和力矩,以達到測量力矩的目的。

1 測量舵A;2 鉸鏈力矩天平A;3 銅套A;4 變角塊A;5 拉緊螺栓A;6 拉緊螺栓B;7 變角塊B;8 銅套B;9 鉸鏈力矩天平B;10 測量舵B圖1 某鉸鏈力矩試驗天平安裝示意圖

圖2 四種橫軸式天平

有些操縱面轉(zhuǎn)動軸靠近模型表面或者在模型以外(比如減速板等),天平軸不能與轉(zhuǎn)動軸重合,這時會考慮天平軸與轉(zhuǎn)動軸平行的方法[4-5],通常采用固定天平進行測力的方法,天平和舵面之間通過一個轉(zhuǎn)接套連接,需要加工多個不同角度舵面以達到變換舵偏角的目的(見圖3),圖4給出了一臺包含連接套的鉸鏈力矩天平。若需要天平與舵面同時轉(zhuǎn)動,在不同角度時,由于不同軸造成舵面面積變化,需要對舵面設(shè)計補償片。

1.2 縱軸式鉸鏈力矩天平

當不方便布置橫軸式天平或者試驗需要測量較多分量的時候,可以考慮將天平放置在飛行器空間較大的腔體內(nèi),天平軸一般與測量舵的鉸鏈軸垂直以方便數(shù)據(jù)處理[6]。圖5是一臺常用的縱軸式天平,其左端與模型固連,右端上側(cè)與舵面連接。縱軸式天平也會用于較大翼面的測量,圖6給出了一種采用縱軸式天平測量機翼氣動力的方法。

圖3 天平與測量舵連接方法

圖4 包含連接套的鉸鏈力矩天平

縱軸式天平測量鉸鏈力矩主要通過桿式天平的彎曲變形來獲得,通常設(shè)計為6分量或者不測量天平軸向力的5分量。由于天平中心距離鉸鏈軸有一段距離,鉸鏈力矩的修正量一般大于測量量,特別在鉸鏈力矩較小時誤差較大,所以對于鉸鏈力矩較小的試驗,可以采用圖7所示的組合式微量鉸鏈力矩天平測量方案,將一臺輪轂式單分量微量鉸鏈力矩天平(見圖8)和一臺縱軸式天平組合在一起進行測量[7],就可以達到既能準確測量鉸鏈力矩,又可以測量法向力等其他分量的目的,圖9給出了一臺一體加工的組合式鉸鏈力矩天平圖片。

圖9 組合式鉸鏈力矩天平

1.3 FL-31風(fēng)洞鉸鏈力矩天平隔熱措施

FL-31風(fēng)洞是一座暫沖式高超聲速風(fēng)洞,常用馬赫數(shù)5～10,總溫350～1 100 K,所用的天平需要考慮溫度影響。為了在高溫環(huán)境下測力,天平粘貼應(yīng)變計采用了中溫型自補償應(yīng)變計,其溫度適用范圍為-269～260 ℃,并在天平外部使用了3840環(huán)氧酚醛玻璃布保護罩用于隔熱(見圖10)。另外,模型在試驗中進入流場采用投放方式,即在流場建立后,再將模型上升到流場中,模型在流場中時間較短(一般為90 s),而鉸鏈力矩試驗中天平布置在模型內(nèi)部,天平在試驗過程中的溫度變化小于1 ℃,通過控制試驗間隔時間,天平體最高溫度不高于160 ℃。為提高天平性能,需要對電橋進行零點補償和靈敏度補償,但是校準一般在常溫下進行,溫度對天平準度的影響小于2.0‰。

圖10 帶隔熱罩的鉸鏈力矩天平

2 片式鉸鏈力矩天平

一般的戰(zhàn)斗機和大飛機風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?正?？s比后機翼、垂尾等部件的后緣舵比較薄,無法安裝桿式天平,通常采用片式天平對其鉸鏈力矩及氣動力進行測量。片式天平一般設(shè)計為三分量或者四分量,主要測量操縱面的法向力y和繞鉸鏈軸的鉸鏈力矩Mj,以及繞x軸的力矩Mx,四分量天平還可以測量舵面阻力。另外還有一種使用軸承的單分量鉸鏈力矩天平,實際使用較少。

2.1 三分量片式天平

傳統(tǒng)三分量片梁結(jié)構(gòu)天平(圖11)是使用最為廣泛的片式鉸鏈力矩天平,一端與模型安定面固定,另一端與舵面連接,試驗時天平保持固定,不跟隨舵面轉(zhuǎn)動[8]。有時,天平與舵面連接端分開設(shè)計會導(dǎo)致連接強度不足,這時可以將天平跟舵面加工成一體,但是有多個舵面就需要加工多臺天平(圖12)。

圖11 傳統(tǒng)三分量鉸鏈力矩天平

傳統(tǒng)三分量片式天平設(shè)計簡單,方便布置,但是有一些缺陷:由于天平直接固定在機翼等翼面上,試驗中翼面會因為承受氣動力而產(chǎn)生變形,天平固定端跟隨產(chǎn)生變形,從而影響天平對舵面氣動力的測量,通常需要在機翼上設(shè)計翼面變形修正單元(圖13),并測出模型變形對天平各單元的影響系數(shù),對天平數(shù)據(jù)進行修正;天平固定端、測量梁和懸臂端一般都位于翼型弦向,安裝會造成模型剛度變化較大,而且由于舵面離天平固定端較遠,試驗中鉸鏈軸偏移大,對模型縫隙的設(shè)計帶來難度,還需要對測量結(jié)果進行修正[9];天平元件多為薄片梁結(jié)構(gòu),截面寬高比較大,受到不同位置載荷時,天平貼片處的應(yīng)變呈現(xiàn)非線性,影響天平的精準度,該類天平的靜校不確定度一般在1%～3%之間。

圖12 三分量鉸鏈力矩天平(帶舵)

圖13 翼面變形修正單元

對傳統(tǒng)片梁結(jié)構(gòu)天平進行了改進,將測量梁分割成若干個高度和寬度相近的矩形梁,并且在每個矩形梁上都貼上應(yīng)變計(見圖14),組成多個電橋,相當于多臺矩形梁天平組合,可以有效提高天平性能,天平的不確定度可以控制在1%以內(nèi)[10]。

圖14 多柱梁型片式天平

2.2 四分量片式天平

為解決由于安裝天平造成翼面剛度變?nèi)踺^多的問題,并結(jié)合柱梁測力優(yōu)勢,設(shè)計出兩側(cè)固支的鉸鏈力矩天平(見圖15)。天平用一整塊金屬材料(00Ni18Co8Mo5TiAi)制成,天平中部設(shè)計連接段與測量舵連接,左右兩懸臂端與模型安定面連接,測量敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計在中央連接段兩側(cè),整個結(jié)構(gòu)類似于單支撐雙天平結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)三分量片式天平相比,機翼橫截面破壞明顯減少(圖16),剛度相對較好[11-12]。此外,天平的柱梁一般與舵面阻力方向垂直,只要在柱梁側(cè)面貼片就可以達到測量阻力的目的,這對于大攻角舵面的測量結(jié)果進行準確修正是非常有利的。

圖15 兩側(cè)固支的四分量鉸鏈力矩天平

圖16 四分量天平與三分量天平安裝對比

但是采用天平兩側(cè)固支的方法依然需要修正機翼變形對天平的影響,于是設(shè)計了中間固定的四分量天平(見圖17),將天平與模型安定面的連接端放到天平中間位置,兩側(cè)用來與測量舵連接,很好的解決了這一問題,安裝示意圖如圖18所示。粘貼方法與兩側(cè)固支的四分量鉸鏈力矩天平相同,圖22給出了粘貼及組橋方法,在天平每個矩形梁上都粘貼了應(yīng)變計,組成多個橋路并通過組合方法進行測力,該方法有利于增大輸出。

四分量片式天平均采用柱梁結(jié)構(gòu)進行測量,精準度較高,通常阻力的校準不確定度小于2%,其他單元校準不確定度小于0.5%。

2.3 單分量片式天平

有時,比如在模型翼尖部分過于薄弱的情況下,難以布置上面所介紹的鉸鏈力矩天平,則會用一種使用軸承的單分量天平。單分量天平及其與舵面的連接形式如圖20所示,將測量舵穿入天平軸孔后,通過角度儀或者固定角度楔調(diào)整好角度,再擰緊抱緊螺釘就可以將測量舵和天平固連成一個整體,舵面通過3個軸承以“門鉸”的方式安裝到模型機翼上,這樣舵面只有一個繞舵軸旋轉(zhuǎn)的自由度,從而天平只感受到舵面的鉸鏈力矩。由于單分量天平安裝位置與測量舵后面的薄弱位置錯開,所以比較方便布置。

圖17 中間固支的四分量鉸鏈力矩天平

圖18 中間固定的四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

Y=M1+M2+M3+M4,Mz=M1+M2-M3-M4,MJ=M1-M2+M3-M4,X=M5圖19 中間固定的四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

單分量天平轉(zhuǎn)軸與鉸鏈軸重合,不存在試驗中轉(zhuǎn)軸變化需要修正的問題,而且由于測量舵基本可以相對于天平任意轉(zhuǎn)動,所以可以只用一個測量舵和一臺天平就達到多個舵偏角測量的目的。但是單分量天平在安裝時需要在翼尖處放置軸承,一般需要破壞模型外形,會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響,另外無法獲得氣動力大小及壓心位置。天平校準采用多點單元校準并進行擬合的方法,校準不確定度約為0.5%。

圖20 單分量天平

3 靜態(tài)校準

鉸鏈力矩天平校準主要在高速所的BCL-3500和BCL-10000靜態(tài)校準架上完成,這兩個校準架都是兩自由度準體軸系設(shè)計,需要通過人工搬運砝碼的方式進行校準(圖21～圖22)。天平校準坐標系一般采用測量舵坐標系,校準中心要盡可能設(shè)置在鉸鏈軸上[13]。校準完成后,一般需要將天平及舵面安裝至模型進行檢驗,除了檢查天平的準度外,還需要根據(jù)風(fēng)洞啟動(關(guān)閉)時的最大沖擊載荷檢驗縫隙是否足夠以及各部件連接的可靠度。

圖21 BCL-3500校準架校準照片

圖22 BCL-10000校準架校準照片

4 結(jié)束語

經(jīng)過40多年的發(fā)展,中國空氣動力研究與發(fā)展中心高速所的應(yīng)變式鉸鏈力矩天平技術(shù)已經(jīng)比較成熟,不僅能夠滿足絕大多數(shù)飛行器舵面鉸鏈力矩試驗的需求,而且具有較好的測試性能。但是在天平精準度進一步提升、真實模型縫隙模擬、精確數(shù)據(jù)修正、連接形式改進以及發(fā)展校準技術(shù)等方面還需要做進一步研究。

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