苗 磊, 謝 斌, 李建強(qiáng), 李耀華, 黃存棟, 賈 巍, 馬 濤

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

2.4m跨聲速風(fēng)洞推力矢量試驗(yàn)測(cè)力系統(tǒng)研制與應(yīng)用

苗 磊*, 謝 斌, 李建強(qiáng), 李耀華, 黃存棟, 賈 巍, 馬 濤

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

推力矢量控制(TVC)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)飛行器過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行，使飛行器突破失速障、增強(qiáng)機(jī)敏性，在改善起降性能、巡航性能等方面具有重要作用。在2.4m跨聲速風(fēng)洞推力矢量試驗(yàn)中，采用3臺(tái)六分量應(yīng)變天平和2個(gè)獨(dú)立的空氣橋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型氣動(dòng)力和2個(gè)尾噴管轉(zhuǎn)向噴流推進(jìn)特性同時(shí)分別測(cè)量。推力矢量試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅馄酵庑问箿y(cè)力系統(tǒng)的布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到較大限制，狹小的模型內(nèi)部需布置3臺(tái)六分量天平、2套獨(dú)立的空氣橋系統(tǒng)及管路、支撐系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)等，采用傳統(tǒng)方式無(wú)法完成如此復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，更無(wú)法完成高壓條件下空氣橋系統(tǒng)與測(cè)力天平的匹配設(shè)計(jì)。在測(cè)力系統(tǒng)的研制中，采用了一體化設(shè)計(jì)理念和剛度匹配設(shè)計(jì)方法，結(jié)合ANSYS有限元軟件較好地解決了系統(tǒng)各部件的布局及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題。天平校準(zhǔn)結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果證明測(cè)力系統(tǒng)滿足推力矢量試驗(yàn)需求。

推力矢量；風(fēng)洞天平；有限元；校準(zhǔn)

0 引 言

推力矢量控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)飛行器過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行，使飛行器突破失速障、增強(qiáng)機(jī)敏性，在改善起降性能、巡航性能等方面具有重要作用。推力矢量風(fēng)洞試驗(yàn)要求在精確模擬來(lái)流和矢量噴流氣動(dòng)力效應(yīng)下，測(cè)量推力矢量噴管氣動(dòng)性能和矢量噴流對(duì)飛行器的氣動(dòng)力干擾。推力矢量控制技術(shù)已成為先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的必備技術(shù)[1]和重要標(biāo)志。

國(guó)內(nèi)外主要?dú)鈩?dòng)試驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)和研究人員已開(kāi)展了大量的推力矢量試驗(yàn)?zāi)M和測(cè)量方法技術(shù)研究。NASA蘭利研究中心在20世紀(jì)70～80年代，發(fā)展了完善的全機(jī)和飛機(jī)后體測(cè)力及推力轉(zhuǎn)向噴管地面試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)，在推力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起到了重要作用；俄羅斯的多座低速風(fēng)洞均具有推力矢量試驗(yàn)技術(shù)。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-09低速風(fēng)洞利用YF-16標(biāo)模作為研究對(duì)象開(kāi)發(fā)了一種推力矢量試驗(yàn)系統(tǒng)[2], 采用六分量常規(guī)測(cè)力天平和推力矢量傳感器以及總壓傳感器等，測(cè)量得到了推力矢量噴流對(duì)全機(jī)氣動(dòng)性能的影響以及噴管的氣動(dòng)性能。綜觀這些試驗(yàn)方法和技術(shù)，大致可歸為3類：一是重點(diǎn)面向飛行器飛行控制律設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向噴流對(duì)飛行器氣動(dòng)干擾試驗(yàn)技術(shù)[3-4]；二是可同時(shí)進(jìn)行噴管特性與飛行器氣動(dòng)特性模擬和分別測(cè)量的試驗(yàn)技術(shù)[3]；三是面向矢量噴管和發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)特性研究的噴管特性試驗(yàn)臺(tái)[3]。國(guó)內(nèi)氣動(dòng)研究機(jī)構(gòu)在高速風(fēng)洞中的噴管轉(zhuǎn)向噴流推進(jìn)特性測(cè)量方面的研究多以單尾噴管為研究對(duì)象，即便有面向雙噴管的，也是將2個(gè)噴管矢量噴流推進(jìn)特性一體測(cè)量，不能對(duì)2個(gè)噴管噴流推進(jìn)特性同時(shí)分別測(cè)量。而現(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)在飛行過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)2個(gè)噴管噴流非對(duì)稱偏轉(zhuǎn)、流量不相等的飛行狀態(tài)，因而客觀上對(duì)2個(gè)尾噴管轉(zhuǎn)向噴流推進(jìn)特性及其對(duì)飛機(jī)高速氣動(dòng)干擾同時(shí)分別測(cè)量提出了需求。在早期的單尾噴管推力矢量試驗(yàn)中，中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院采用六分量天平與傳感器相結(jié)合的方式[2]進(jìn)行測(cè)量，中國(guó)空氣動(dòng)研究中心高速所采用2臺(tái)六分量天平的方式進(jìn)行。利用3臺(tái)六分量天平進(jìn)行雙尾噴管的高速風(fēng)洞推力矢量試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到公開(kāi)報(bào)道。

中國(guó)空氣動(dòng)研究中心高速所利用 2.4m跨聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了雙發(fā)飛行器推力矢量試驗(yàn)技術(shù)研究。試驗(yàn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。為開(kāi)展該項(xiàng)研究研制了專用測(cè)力系統(tǒng)，采用2臺(tái)推力天平及空氣橋系統(tǒng)(包含空氣管路和波紋管等)分別同時(shí)測(cè)量左右矢量噴管的氣動(dòng)特性，1臺(tái)全機(jī)天平測(cè)量飛機(jī)的氣動(dòng)特性。圖2展示了測(cè)力系統(tǒng)的構(gòu)成。

1 測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件及目標(biāo)

設(shè)計(jì)條件如下：來(lái)流馬赫數(shù)為Ma0.3～1.2；模型迎角-10°～60°；噴管偏角-20°～20°；噴流總質(zhì)量流量0～3kg/s；波紋管系統(tǒng)最大承壓6MPa；天平設(shè)計(jì)載荷如表1所示。

名稱Y/NMz/(N·m)X/NMx/(N·m)Z/NMy/(N·m)全機(jī)天平15000100012004802200500推力天平1200200800501200200

總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：(1) 天平精準(zhǔn)度高，其中主天平及單獨(dú)推力天平各分量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.3%，帶空氣橋系統(tǒng)憋氣及噴流狀態(tài)下，推力天平軸向力分量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于0.3%，推力天平的法向力、側(cè)向力、俯仰及偏航力矩分量校準(zhǔn)不確定度優(yōu)于2%；(2) 測(cè)力系統(tǒng)密封性能良好，無(wú)漏氣現(xiàn)象。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

推力矢量試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部需布置彼此不接觸的一臺(tái)或多臺(tái)測(cè)力天平、空氣橋系統(tǒng)等，要求模型外形尺寸大、內(nèi)部空間大。為減小噴流氣體遇風(fēng)洞洞壁反射及洞壁干擾等影響，飛行器的推力矢量試驗(yàn)一般都在大尺寸風(fēng)洞進(jìn)行，但即使在大尺寸風(fēng)洞進(jìn)行該類型試驗(yàn)，模型內(nèi)部的可用空間與布置測(cè)力系統(tǒng)的空間需求之間也存在較大矛盾。推力矢量試驗(yàn)中，高壓氣體流量與壓力的精確控制關(guān)系到矢量噴管氣動(dòng)特性的準(zhǔn)確模擬，這涉及高壓氣體從非測(cè)量部件到測(cè)量部件轉(zhuǎn)化處、各部件連接處等多處結(jié)構(gòu)的高壓密封問(wèn)題，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部狹小的可用空間使解決測(cè)力系統(tǒng)的高壓密封問(wèn)題面臨了較大困難。測(cè)力試驗(yàn)中，天平性能的好壞決定測(cè)量數(shù)據(jù)的優(yōu)良，對(duì)于推力矢量這樣復(fù)雜程度較高的風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)講，如何保證天平在惡劣條件下性能的穩(wěn)定與可靠是設(shè)計(jì)者面臨的又一難題。圍繞實(shí)現(xiàn)雙發(fā)飛行器的繞流和2個(gè)噴管在常溫空氣介質(zhì)條件下的噴流同時(shí)精細(xì)模擬以及2個(gè)噴管噴流推進(jìn)特性和飛機(jī)模型氣動(dòng)特性的同時(shí)分別精確測(cè)量，本次研制工作的難點(diǎn)可歸納為以下4點(diǎn)：

(1) 模型內(nèi)部各零部件的布局安裝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(2) 狹小空間條件下，測(cè)力系統(tǒng)的高壓密封；

(3) 多次拆裝對(duì)天平精確測(cè)量的影響；

(4) 惡劣試驗(yàn)條件下，天平穩(wěn)定性能的保持。

1.3 技術(shù)措施

1.3.1一體化設(shè)計(jì)

所謂一體化設(shè)計(jì)是指將模型、支撐系統(tǒng)、天平、管路、波紋管等天平測(cè)力系統(tǒng)的每一個(gè)部件作為影響系統(tǒng)性能的參數(shù)來(lái)考量，一個(gè)參數(shù)或者多個(gè)參數(shù)的耦合變化將影響整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。因此，該天平測(cè)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種多參數(shù)、多目標(biāo)的耦合設(shè)計(jì)。

測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天平結(jié)構(gòu)的選擇是首要目標(biāo)，它決定整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)的布局與安裝。推力矢量試驗(yàn)的特殊性使天平中心與模型力矩參考點(diǎn)無(wú)法重合，將產(chǎn)生附加力矩，造成天平的設(shè)計(jì)力矩相對(duì)于力而言更大，這使天平更容易產(chǎn)生較大的彎曲變形，使噴管與模型更容易發(fā)生碰撞，所以天平在相同直徑條件下具有更大剛度是該類型試驗(yàn)中天平結(jié)構(gòu)選擇的首要目標(biāo)。結(jié)合本次研究所用模型外形扁平的特點(diǎn)，其模型內(nèi)部法向空間受限，而軸向和側(cè)向空間的限制相對(duì)較小，故選擇相同直徑條件下剛度更大的桿式結(jié)構(gòu)天平[5-6]，用于全機(jī)和噴管氣動(dòng)特性的測(cè)量。

根據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)及流量控制要求，主天平、推力天平、空氣管路、波紋管及殼體采用并行串聯(lián)的布局安裝方式，主天平與推力天平及空氣管路之間構(gòu)成并行關(guān)系，如圖3所示。推力天平、空氣管路、波紋管及殼體構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，如圖4所示。其中，3臺(tái)天平的軸線與空氣管路軸線平行，空氣管路連接段軸線與波紋管及殼體軸線重合，殼體將波紋管及空氣管路包裹在內(nèi)，天平固定端與空氣管路連接，天平自由端通過(guò)過(guò)渡接頭與波紋管及殼體連接。為實(shí)現(xiàn)高壓氣流從非測(cè)量部件到測(cè)量部件之間的轉(zhuǎn)換，波紋管需與空氣管路連接段固連。推力矢量試驗(yàn)時(shí)，更換不同噴管與殼體相連，二者軸線重合，噴管承受的氣動(dòng)載荷通過(guò)殼體傳遞到天平測(cè)量元件上，為保證空氣管路連接段與波紋管及殼體軸線重合，同時(shí)減小因噴管軸線與天平軸線不重合而產(chǎn)生的附加力矩，根據(jù)模型內(nèi)部空間位置特點(diǎn)，空氣管路采用雙“Z”型結(jié)構(gòu)，如圖5所示。通過(guò)布局結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終獲得測(cè)力系統(tǒng)的詳細(xì)布局如圖2所示。

測(cè)力系統(tǒng)布局完成后，進(jìn)行各部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該測(cè)力系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：(1) 天平各分量具有合適的靈敏度，本次研究中要求天平各分量的最大輸出不小于0.3mV/V；(2) 空氣管路中任何截面處的氣流流通面積須不小于噴管喉道面積；(3) 天平、支撐系統(tǒng)、空氣管路、殼體等需具備足夠的剛度，受載后各部件不能發(fā)生接觸；(4) 波紋管[7-10]對(duì)推力天平的影響較小，在滿足6MPa外壓的強(qiáng)度要求下，具有最小的剛度系數(shù)。本次研究中，軸向力作用下，波紋管對(duì)天平的影響不大于1%；法向力及側(cè)向力作用下，波紋管對(duì)天平的影響不大于2%；俯仰力矩及偏航力矩作用下，波紋管對(duì)天平的影響不大于20%。波紋管對(duì)天平影響量的大小與測(cè)力系統(tǒng)的整體布局相關(guān)，不同的布局方式，影響量不同。設(shè)計(jì)目標(biāo)中，天平的剛度與靈敏度是一對(duì)矛盾體，二者無(wú)法兼顧，需根據(jù)具體的試驗(yàn)類型及需求確定以剛度為主或者以靈敏度為主，本次研究以剛度為主。管路的流通面積與其內(nèi)徑、波紋管外徑和殼體內(nèi)徑3個(gè)參數(shù)相關(guān)，而管路的內(nèi)、外徑及長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)又影響其剛度；波紋管的內(nèi)外直徑及長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)影響其各自由度方向的剛度系數(shù)；殼體的內(nèi)外直徑及長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)與其剛度相關(guān)；模型內(nèi)腔尺寸參數(shù)與其強(qiáng)度及剛度直接相關(guān)。設(shè)計(jì)中，任何一個(gè)參數(shù)的改變都可能影響整個(gè)測(cè)力系統(tǒng)的性能，甚至影響推力矢量試驗(yàn)?zāi)芊耖_(kāi)展。傳統(tǒng)的單目標(biāo)天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法無(wú)法滿足這樣復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。一體化設(shè)計(jì)方法[11]能夠解決這種多參數(shù)、多目標(biāo)的耦合設(shè)計(jì)難題。

一體化設(shè)計(jì)的核心思想是：模型結(jié)構(gòu)參數(shù)化，分析耦合化。對(duì)本次測(cè)力系統(tǒng)而言，涉及的參數(shù)較多，影響各部件自身性能的是一級(jí)參數(shù)，影響各部件之間裝配關(guān)系的相關(guān)尺寸是關(guān)系測(cè)力系統(tǒng)整體性能的二級(jí)參數(shù)。例如：影響天平自身性能的一級(jí)參數(shù)包括：(1) 天平直徑、長(zhǎng)度，天平各測(cè)量梁、支撐梁的長(zhǎng)、寬、高；(2) 各測(cè)量梁在天平體上的相對(duì)位置；(3) 各測(cè)量梁之間的相對(duì)位置；(4) 斷開(kāi)槽的尺寸及相對(duì)位置；(5) 天平各等值段的長(zhǎng)度等。與天平相關(guān)的二級(jí)參數(shù)是天平連接端的尺寸。為了將模型結(jié)構(gòu)參數(shù)化、分析耦合化有機(jī)結(jié)合，本次研究中引入了ANSYS有限元軟件，在其建模模塊中進(jìn)行參數(shù)化模型構(gòu)建，定義各個(gè)一級(jí)參數(shù)和二級(jí)參數(shù)；在其靜力學(xué)分析模塊中進(jìn)行耦合分析，對(duì)各參數(shù)模型施加不同的設(shè)計(jì)載荷，評(píng)判天平的靈敏度，3臺(tái)天平之間以及噴管與模型之間的位置變化，波紋管對(duì)天平靈敏度的影響等結(jié)果。若不能達(dá)到測(cè)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，則調(diào)整其中相關(guān)參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖6 展示了一體化設(shè)計(jì)中推力天平與波紋管之間的耦合分析流程。

通過(guò)一體化設(shè)計(jì)方法確定的全機(jī)天平最終結(jié)構(gòu)如圖7所示。天平前后測(cè)量單元采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的兩柱梁形式，軸向力測(cè)量單元采用支撐片與“π”梁相結(jié)合的形式。采用“π”梁的好處是：應(yīng)變計(jì)粘貼區(qū)域的應(yīng)變均勻，其它分量在該區(qū)域產(chǎn)生的干擾應(yīng)變小，且可以通過(guò)調(diào)整應(yīng)變計(jì)的粘貼位置來(lái)部分抵消干擾。天平前后連接端均采用圓錐配合方式，確保大力矩作用下連接的可靠性。全機(jī)天平各測(cè)量單元的有限元計(jì)算應(yīng)變?nèi)绫?所示。 推力天平的三維結(jié)構(gòu)如圖8所示，天平前后測(cè)量元件采用8個(gè)柱梁，天平軸向力測(cè)量單元采用支撐片與“π”梁相結(jié)合的形式，天平的固定端采用矩形方塊定位與螺栓、楔子鎖緊相結(jié)合的方式，將天平與空氣管路二者固連。天平的自由端采用法蘭盤(pán)連接，利用圓柱銷、法蘭端面及高強(qiáng)度螺栓將天平與波紋管和殼體準(zhǔn)確定位并固連。推力天平在不同狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)變?nèi)绫?所示。圖9展示了完整的推力矢量試驗(yàn)天平測(cè)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

名稱YMzXMxZMy貼片處應(yīng)變(×10?6)445480390270170340

應(yīng)變(×10?6)YMzXMxZMy推力天平205560270175207558推力天平帶空氣橋系統(tǒng)0MPa2044402681412044781MPa1984002671402034422MPa191370266137201402

1.3.2系統(tǒng)密封

推力矢量試驗(yàn)中，要實(shí)現(xiàn)噴管出口處的壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，試驗(yàn)系統(tǒng)除具有高精度的流量控制系統(tǒng)外，其中的測(cè)力系統(tǒng)須具備高質(zhì)量的密封性能。常見(jiàn)的密封方式可以分為接觸式和非接觸式2種，非接觸式密封適用于內(nèi)外壓差不大的情況，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全密封，接觸式密封適用于各種情況，且適當(dāng)?shù)拿芊夥绞侥軐?shí)現(xiàn)完全密封。推力矢量試驗(yàn)中，測(cè)力系統(tǒng)內(nèi)外壓差最大可達(dá)6MPa，采用接觸式密封。接觸式密封多以端面法蘭連接和徑向圓柱配合等形式出現(xiàn)，其中，端面法蘭連接的密封材料可采用壓縮量較大的O形橡膠圈或者壓縮量較小的金屬墊圈；徑向圓柱配合的密封材料多采用O形橡膠圈。各部件的可靠連接是天平測(cè)力系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量的前提，影響連接可靠性的因素包含密封材料和連接方式。壓縮量較大的O形橡膠圈或其它非金屬類密封材料由于其自身的不穩(wěn)定性將對(duì)系統(tǒng)各分量的系數(shù)產(chǎn)生較大影響，圖10展示了2種不同密封材料對(duì)天平主項(xiàng)系數(shù)的影響。測(cè)力系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)及風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，部分零件將多次拆裝，為保證拆裝的可操作性，2個(gè)圓柱配合的部件之間必然存在間隙，當(dāng)分別承受正負(fù)力及力矩時(shí)，將產(chǎn)生不對(duì)稱變形，影響天平各項(xiàng)系數(shù)的準(zhǔn)確獲取。因此，在本次密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，密封材料選擇紫銅墊圈，而密封方式采用端面法蘭連接形式，法蘭端面在高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力作用下擠壓紫銅墊圈，利用紫銅墊圈的塑性變形密封高壓氣體。紫銅墊圈產(chǎn)生塑形變形后，其性能穩(wěn)定，有利于保證測(cè)力系統(tǒng)的連接可靠性。

1.3.3校準(zhǔn)與試驗(yàn)狀態(tài)的一致性

測(cè)力系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵因素包括：(1) 測(cè)量單元(天平)性能穩(wěn)定可靠；(2) 各部件連接可靠；(3) 校準(zhǔn)與試驗(yàn)狀態(tài)一致。測(cè)力系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)前，要求波紋管在與其它部件裝配后處于不受力的自然狀態(tài)，試驗(yàn)前后波紋管反復(fù)拆裝將不會(huì)影響其使用性能。實(shí)際使用過(guò)程中，因密封圈受螺栓預(yù)緊力后產(chǎn)生不同程度的塑性變形，以及各零件存在一定的加工誤差，系統(tǒng)裝配后，波紋管實(shí)際的工作狀態(tài)是微量的壓縮或拉伸，不同安裝狀態(tài)會(huì)影響波紋管的使用性能。因此，測(cè)力系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作須基于波紋管的一次安裝，且該安裝狀態(tài)須保持到風(fēng)洞試驗(yàn)完成之后。使用過(guò)程中如果出現(xiàn)波紋管重新安裝的情況，測(cè)力系統(tǒng)則需重新校準(zhǔn)。測(cè)力系統(tǒng)中，推力天平采用“L”型結(jié)構(gòu)，空氣管路采用雙“Z”型結(jié)構(gòu)，它們的剛度分配在各自由度方向上均不對(duì)稱，為保證天平測(cè)量的精準(zhǔn)度，單獨(dú)天平校準(zhǔn)與天平帶空氣橋系統(tǒng)校準(zhǔn)的支撐裝置需一致，這樣可以將不對(duì)稱剛度的影響作為系統(tǒng)誤差來(lái)考量。

1.3.4溫度補(bǔ)償與防護(hù)

推力天平帶空氣橋系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的噴流校準(zhǔn)會(huì)造成管路、天平表面出現(xiàn)冷凝水甚至結(jié)冰，如圖11所示。為保證校準(zhǔn)過(guò)程中天平性能穩(wěn)定，需對(duì)天平進(jìn)行溫度補(bǔ)償及防護(hù)處理。其中，溫度補(bǔ)償解決低溫對(duì)天平的影響，防護(hù)處理解決潮濕環(huán)境對(duì)天平的影響。溫度補(bǔ)償在天平校準(zhǔn)前進(jìn)行，由于應(yīng)變計(jì)具有溫度自補(bǔ)償能力，且認(rèn)為天平的彈性模量E和應(yīng)變計(jì)靈敏度系數(shù)K不隨溫度改變，所以只對(duì)天平的橋路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖12和13展示了推力天平1在溫度補(bǔ)償前后各單元的溫度特性。防護(hù)處理含2個(gè)方面：一是溫度補(bǔ)償后在應(yīng)變計(jì)、焊點(diǎn)表面采用南大705硅橡膠進(jìn)行敷設(shè)，涂層厚度不宜超過(guò)0.5mm，如圖14所示；二是噴流校準(zhǔn)中，天平周圍局部空間的濕度控制，利用柔性較好的油紙將天平包裹，天平的自由端不能與油紙發(fā)生接觸，向包裹層內(nèi)部輸送干燥氣體，以排出天平周圍的潮濕空氣，避免天平表面出現(xiàn)冷凝水或結(jié)冰，如圖15所示。溫度補(bǔ)償與防護(hù)措施的實(shí)施很好地解決了天平在低溫高濕環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。

2 靜態(tài)校準(zhǔn)

3臺(tái)天平的靜態(tài)校準(zhǔn)均在六自由度全自動(dòng)校準(zhǔn)臺(tái)上完成，校準(zhǔn)臺(tái)實(shí)物如圖16所示。推力天平的靜態(tài)校準(zhǔn)包括以下幾種狀態(tài)：

(1) 單獨(dú)天平校準(zhǔn)；

(2) 天平帶空氣橋系統(tǒng)校準(zhǔn)；

(3) 天平帶空氣橋系統(tǒng)加壓校準(zhǔn)；

(4) 天平帶空氣橋系統(tǒng)噴流校準(zhǔn)[12-14]。

其中，天平校準(zhǔn)是基礎(chǔ)，它是檢驗(yàn)天平性能，修正空氣橋系統(tǒng)影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；加壓校準(zhǔn)是考核壓力對(duì)空氣橋系統(tǒng)及天平的影響；噴流校準(zhǔn)是考核流量、壓力、溫度對(duì)空氣橋系統(tǒng)及天平的影響。圖17和18分別展示了加壓與噴流校準(zhǔn)。表4展示了全機(jī)天平的靜校結(jié)果。表5展示了典型狀態(tài)下推力天平1的靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果。

YMzXMxZMy校準(zhǔn)不確定度/%0．080．090．110．150．100．12

表5 推力天平1校準(zhǔn)結(jié)果Table 5 Calibration result of the thrust balance 1

3 風(fēng)洞試驗(yàn)

雙發(fā)飛行器模型推力矢量試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所的2.4m×2.4m跨聲速風(fēng)洞中完成，試驗(yàn)馬赫數(shù)為 0.3、0.6 和 1.2，模型名義迎角范圍10°～60° ，名義偏航角為 0° ，噴管偏角為0° 、20° ，噴流落壓比 0～9，基于模型機(jī)翼氣動(dòng)弦長(zhǎng)的試驗(yàn)雷諾數(shù)Re為(2.4～7.3)×106。試驗(yàn)中，首先根據(jù)噴管的落壓比，通過(guò)流量控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整空氣通路中高壓氣體的流量，當(dāng)落壓比達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)風(fēng)洞閥門(mén)，進(jìn)行變迎角的測(cè)試試驗(yàn)。圖19～21分別展示了馬赫數(shù)0.6、流量100g/s狀態(tài)下，推力天平1、2及主天平的軸向力試驗(yàn)精度。

4 結(jié) 論

2.4m跨聲速風(fēng)洞推力矢量試驗(yàn)測(cè)力系統(tǒng)是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所研制的第一套雙發(fā)飛行器模型推力矢量試驗(yàn)專用測(cè)力系統(tǒng)，天平靜校及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的一體化設(shè)計(jì)方法和基于剛度匹配的耦合分析方法，可有效解決狹小空間內(nèi)測(cè)力系統(tǒng)的布局及零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題；

(2) 溫度補(bǔ)償及防護(hù)措施的實(shí)施很好地保證了天平在低溫高濕環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

(3) 該測(cè)力系統(tǒng)達(dá)到了總體設(shè)計(jì)目標(biāo)值，同時(shí)滿足本次推力矢量試驗(yàn)要求;

(4) 波紋管對(duì)天平力矩分量的影響較大，在今后的研究工作中，需進(jìn)一步從測(cè)力系統(tǒng)的整體布局設(shè)計(jì)及波紋管與天平的剛度匹配設(shè)計(jì)等多方面入手，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以降低波紋管對(duì)天平測(cè)量的影響。

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Developmentandapplicationofthemeasurementsystemforthrustvectoringtestsat2.4m×2.4mtransonicwindtunnel

Miao Lei*, Xie Bin, Li Jianqiang, Li Yaohua, Huang Cundong, Jia Wei, Ma Tao

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

The thrust vectoring control (TVC) technology enables aircraft to fly in post-stall maneuver, which is very important for breaking through obstacle stall, enhancing mobility and improving take-off/landing and cruise performance. For TVC test at 2.4m×2.4m transonic wind tunnel, three six-component strain-gauge balances and two separate air systems are applied to respectively measure the performance of the whole model and nozzles at the same time. The thrust vector test model is flat, so that the layout and structure design of the measurement system is constrained. In the small internal model, it is very difficult to set up three six-component balances, two separate air bridge systems and pipeline, a supporting system, a pressure measurement system and so on. The complex system design cannot be realized by traditional methods and neither can the matching design of the air bridge system and the force balance under the condition of high pressure be accomplished. In the development of the measurement system, the integrated design concept and the stiffness matching design method are adopted. Combined with ANSYS finite element software, the layout and structure optimization of each component of the system have been solved. The results of balance calibration and wind tunnel test prove that the measurement system meets the requirement of thrust vector test.

thrust vector; wind tunnel balance; finite element; calibration

2016-11-14;

2017-07-11

*通信作者 E-mail: miaogangsir@sina.com

MiaoL,XieB,LiJQ,etal.Developmentandapplicationofthemeasurementsystemforthrustvectoringtestsat2.4m×2.4mtransonicwindtunnel.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 78-85. 苗 磊, 謝 斌, 李建強(qiáng), 等. 2.4m跨聲速風(fēng)洞推力矢量試驗(yàn)測(cè)力系統(tǒng)研制與應(yīng)用. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(6): 78-85.

1672-9897(2017)06-0078-08

10.11729/syltlx20160105

TH715.1+12；V211.74

A

苗磊(1982-)，男，四川三臺(tái)人，工程師。研究方向：風(fēng)洞應(yīng)變天平研制與應(yīng)用。通信地址：四川省綿陽(yáng)市二環(huán)路南段6號(hào)(621000)。E-mail:miaogangsir@sina.com

(編輯：李金勇)