徐 越， 李 聰， 李盛文， 徐傳寶

(1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院， 哈爾濱 150001； 2.低速高雷諾數(shù)氣動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150001)

0 引 言

螺旋槳會(huì)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生較大的動(dòng)力影響，這種動(dòng)力影響包括直接影響和間接影響。直接影響主要是螺旋槳產(chǎn)生的拉力、扭矩和法向力對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的附加影響；間接影響是指槳后產(chǎn)生的滑流與飛機(jī)各部件之間的干擾作用，這種影響使飛機(jī)升力、阻力增加，下洗發(fā)生變化，飛機(jī)的操縱性、穩(wěn)定性及舵面效率均受影響。這種影響的極端情況發(fā)生在飛機(jī)小速度、大拉力和偏轉(zhuǎn)襟翼狀態(tài)[1]。間接影響對(duì)于以渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的飛機(jī)設(shè)計(jì)成敗，起到非常重要的作用。如果設(shè)計(jì)不合理，螺旋槳滑流可以在很大程度上降低飛機(jī)的氣動(dòng)效率；相反，如果處理恰當(dāng)，螺旋槳滑流則可以大大提高飛機(jī)的氣動(dòng)效率。旋轉(zhuǎn)軸天平用于測(cè)量螺旋槳的氣動(dòng)力，安裝在渦輪空氣馬達(dá)(驅(qū)動(dòng)裝置)與螺旋槳之間，直接與螺旋槳相連并高速同步旋轉(zhuǎn)。在單獨(dú)螺旋槳實(shí)驗(yàn)時(shí)采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平可以準(zhǔn)確測(cè)量螺旋槳的拉力和扭矩，從而獲得螺旋槳的性能和為全機(jī)帶動(dòng)力實(shí)驗(yàn)選定槳葉角數(shù)值；在全機(jī)帶動(dòng)力實(shí)驗(yàn)時(shí)采用螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量螺旋槳?dú)鈩?dòng)力，可以將螺旋槳?dú)鈩?dòng)力與全機(jī)氣動(dòng)力進(jìn)行分離，從而獲得準(zhǔn)確的螺旋槳滑流對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響量[2]。旋轉(zhuǎn)軸天平作為一種渦槳飛機(jī)螺旋槳的測(cè)力技術(shù)手段，具有測(cè)力精度高、設(shè)備集成度高、數(shù)據(jù)可靠性高等特點(diǎn)，成為最引人注目的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。因此，筆者研究旋轉(zhuǎn)軸天平的相關(guān)技術(shù)，并將其應(yīng)用于相關(guān)模型的螺旋槳風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)。

1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)

目前，國(guó)內(nèi)具備螺旋槳滑流實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ纳a(chǎn)型風(fēng)洞約有4座：航空工業(yè)氣動(dòng)院和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心各2座低速風(fēng)洞。航空工業(yè)氣動(dòng)院高雷諾數(shù)低速風(fēng)洞于2018年完成了我國(guó)首個(gè)基于旋轉(zhuǎn)軸天平的變雷諾數(shù)影響螺旋槳?jiǎng)恿δM風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)，基于常規(guī)測(cè)力天平的螺旋槳飛機(jī)全機(jī)帶動(dòng)力實(shí)驗(yàn)通常采用腹部支撐，電機(jī)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中，由外式天平完成包括螺旋槳?dú)鈩?dòng)力和滑流影響在內(nèi)的全機(jī)氣動(dòng)力的測(cè)量[3]。螺旋槳?dú)鈩?dòng)力既可以采用單槳實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量，也可以通過(guò)在全機(jī)帶動(dòng)力模型的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙中安裝螺旋槳天平與全機(jī)氣動(dòng)力同時(shí)測(cè)量，兩種方法可根據(jù)模型尺寸和實(shí)現(xiàn)的難易程度酌情選擇。但這兩種測(cè)量方法對(duì)于大功率、前置式發(fā)動(dòng)機(jī)布局的渦槳飛機(jī)來(lái)說(shuō)，得到的螺旋槳?dú)鈩?dòng)力都存在一定誤差。采用第一種方法測(cè)量螺旋槳?dú)鈩?dòng)力時(shí)，測(cè)量結(jié)果沒(méi)有考慮發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和機(jī)翼等部件對(duì)螺旋槳的影響，而且單槳實(shí)驗(yàn)與全機(jī)帶動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速和模型姿態(tài)角也很難保證完全一致；采用第二種方法測(cè)量螺旋槳?dú)鈩?dòng)力時(shí)，螺旋槳天平安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)電機(jī)的后部，天平受電機(jī)振動(dòng)、冷卻水管等因素的干擾較大，測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差；而且螺旋槳天平測(cè)量的數(shù)據(jù)包括電機(jī)的重力和螺旋槳的氣動(dòng)力，用于螺旋槳?dú)鈩?dòng)力測(cè)量的有效載荷只占天平總量程的一小部分，不利于螺旋槳?dú)鈩?dòng)力的精確測(cè)量；再者螺旋槳天平的剛度和量程都比較大，導(dǎo)致天平的體積也比較大，這樣，對(duì)于體積較小的發(fā)動(dòng)機(jī)短艙，只有將發(fā)動(dòng)機(jī)短艙局部放大后才能進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，也會(huì)給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來(lái)一定的誤差[4-5]。

1.2 國(guó)外

歐美國(guó)家早期的螺旋槳飛機(jī)滑流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也采用小尺寸的高頻電機(jī)作為螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置。隨著螺旋槳滑流實(shí)驗(yàn)對(duì)螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置要求的不斷提高。國(guó)外從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，陸續(xù)在增壓風(fēng)洞、大尺寸高/低速風(fēng)洞等雷諾數(shù)較高的風(fēng)洞中開(kāi)展了基于渦輪空氣馬達(dá)的螺旋槳滑流實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，突破了渦輪空氣馬達(dá)控制、旋轉(zhuǎn)軸天平設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)軸天平數(shù)據(jù)傳輸與處理、空氣橋天平設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，完善了螺旋槳滑流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)洞壁干擾修正方法，建立了較為完善的渦輪空氣馬達(dá)螺旋槳滑流風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)體系，使得渦槳飛機(jī)的帶動(dòng)力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以在較高的風(fēng)速和雷諾數(shù)下進(jìn)行，有力支撐了A400M和E-2D等新一代渦槳飛機(jī)的研制[6-7]。目前，法宇航、DNW、美國(guó)的NASA等，已經(jīng)掌握了基于旋轉(zhuǎn)軸天平的飛機(jī)螺旋槳?dú)鈩?dòng)力測(cè)力裝置及方法。

2 旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量的基本原理

2.1 旋轉(zhuǎn)軸天平結(jié)構(gòu)

研究螺旋槳與飛機(jī)各部件之間的相互影響，需要研制能夠精確測(cè)量螺旋槳?dú)鈩?dòng)力的螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平，旋轉(zhuǎn)軸天平需要安置在驅(qū)動(dòng)裝置與螺旋槳之間，圖1為旋轉(zhuǎn)軸天平及槳葉安裝示意圖，螺旋槳槳葉安裝在槳轂上，槳轂具有可調(diào)節(jié)槳葉角功能，槳轂后端安裝在旋轉(zhuǎn)軸天平的測(cè)量端，可以隨著驅(qū)動(dòng)馬達(dá)同步高速旋轉(zhuǎn)，且不受螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)艙房空間的限制，準(zhǔn)確測(cè)量螺旋槳的氣動(dòng)力[8]。

圖1 螺旋槳槳葉測(cè)力裝置Fig. 1 Propeller force measurement device structure

螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平按照6分量天平設(shè)計(jì)，對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平的設(shè)計(jì)要求是天平精度高、體積小、量程適中、質(zhì)量分布均勻、引線方便和高速旋轉(zhuǎn)[9]。根據(jù)圖2設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)變?cè)茍D，在旋轉(zhuǎn)軸天平上合理布置6元載荷測(cè)力電橋(圖3)，螺旋槳受氣動(dòng)力載荷后，各電橋信號(hào)電壓發(fā)生變化，根據(jù)電壓變化相對(duì)量計(jì)算氣動(dòng)載荷大小。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸天平設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)變?cè)茍DFig. 2 Rotating shaft balance design calculation

圖3 旋轉(zhuǎn)軸天平電橋Fig. 3 Rotating shaft balance strain-gauge bridge

2.2 旋轉(zhuǎn)軸天平電橋原理

每個(gè)測(cè)量電橋由4片電阻應(yīng)變片組成，即粘貼在應(yīng)變梁根部上下表面的R1、R2、R3、R44片應(yīng)變片組成測(cè)量載荷的惠斯頓電橋。Us為供橋電壓，ΔU為電壓輸出信號(hào)增量，ΔR為電阻增量。各自由度載荷變化后，電橋內(nèi)的電阻應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的電阻值會(huì)產(chǎn)生微小的變化，應(yīng)變片的電阻由電橋平衡時(shí)的Rx變?yōu)镽x+ΔR，信號(hào)輸出端電壓信號(hào)Uout會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化ΔU[10]。

根據(jù)電橋平衡原理

(1)

當(dāng)電橋的輸出電壓為0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。電橋的平衡條件是

R1R3=R2R4,

即當(dāng)電橋兩個(gè)相對(duì)橋臂電阻值乘積相等時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。若旋轉(zhuǎn)軸天平在力F作用下產(chǎn)生彎曲變形，則各橋臂應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生ΔR增量，這時(shí)電橋?qū)⑹テ胶?。由于R1=R2=R3=R4=R，|ΔR1|=|ΔR2|=|ΔR3|=|ΔR4|=ΔR，則式(1)經(jīng)簡(jiǎn)化最后為

(2)

應(yīng)變天平的設(shè)計(jì)應(yīng)變一般為ε的10-4～10-3，因此靈敏度系數(shù)K=2的應(yīng)變計(jì)ΔR/R為0.000 2～0.002 0，此值可以忽略，所以式(2)可以寫(xiě)成

(3)

由式(3)可知，ΔR與ΔU成正比關(guān)系。

根據(jù)同樣道理可推導(dǎo)出半橋和單臂電橋工作公式:

應(yīng)變天平大多采用全橋測(cè)量電路，其原因是全橋測(cè)量既可以增加電壓輸出信號(hào)，又可以有效地消除天平各分量之間的相互干擾和獲得溫度自補(bǔ)償效果。

測(cè)量電橋的電壓信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)A/D變換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并以數(shù)字量Δn顯示，ΔU與Δn呈線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，可由天平校準(zhǔn)公式計(jì)算出天平測(cè)量拉力、升力、扭矩、偏航等的氣動(dòng)載荷Fm和Mm。用這種方法同樣可以測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)頻率等[11-13]。

3 螺旋槳風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量飛機(jī)螺旋槳?dú)鈩?dòng)力的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。模型采用全機(jī)縮比模型，支撐方式為腹部單支桿支撐，實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠模擬飛機(jī)俯仰角度、偏航角度的變化，且可以進(jìn)行4發(fā)螺旋槳帶動(dòng)力模擬實(shí)驗(yàn)。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量螺旋槳的氣動(dòng)力Fig. 4 Rotary axis balance to measure propeller aerodynamics

4發(fā)旋轉(zhuǎn)軸天平需要實(shí)現(xiàn)天平動(dòng)態(tài)信號(hào)及靜態(tài)信號(hào)同步連續(xù)采集及旋轉(zhuǎn)軸天平載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸天平的信號(hào)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理工作，如圖5所示，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到旋轉(zhuǎn)軸天平在每旋轉(zhuǎn)1圈時(shí)固定角度下的氣動(dòng)力載荷信號(hào)值，將多周的數(shù)據(jù)平均值經(jīng)過(guò)天平公式計(jì)算,得到在固定角度下的螺旋槳槳葉的載荷，按需要的坐標(biāo)系進(jìn)行投影，得到相應(yīng)坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力載荷值。經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用上述數(shù)據(jù)采集方案與數(shù)據(jù)處理方法,能夠得到可靠、穩(wěn)定且快速響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸天平載荷數(shù)據(jù)。同時(shí)考慮到旋轉(zhuǎn)軸天平高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺旋槳?dú)鈩?dòng)載荷及實(shí)驗(yàn)設(shè)備自身旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等原因帶來(lái)的復(fù)雜工況，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)軸天平進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)控，以保證設(shè)備的安全及測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性。

圖5 旋轉(zhuǎn)軸天平的數(shù)據(jù)處理Fig. 5 Rotating shaft balance data processing

旋轉(zhuǎn)軸天平信號(hào)及槳葉應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過(guò)滑環(huán)引電器傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)?；h(huán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速最高10 000 r/min，為了保證滑環(huán)工作可靠性，需要對(duì)滑環(huán)進(jìn)行冷卻及潤(rùn)滑?；h(huán)引電器結(jié)構(gòu)如圖6所示，左側(cè)為轉(zhuǎn)子部分，右側(cè)為定子部分，能夠?qū)⑿D(zhuǎn)軸天平的旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)引出至外部計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸天平信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。

圖6 高速滑環(huán)引電器Fig. 6 High speed slip ring

圖7為采用旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量的某飛機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)曲線。

圖7 旋轉(zhuǎn)軸天平測(cè)量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)曲線Fig. 7 Wind tunnel test curves of wind tunnel test model use rotating shaft balance

圖7表明，在相同雷諾數(shù)下，隨著拉力系數(shù)Tc增加(0～0.20)，飛機(jī)模型的氣動(dòng)力系數(shù)增加，即由于螺旋槳滑流存在，增加了滑流區(qū)機(jī)翼附面層能量，可有效抵抗機(jī)翼后緣的逆壓梯度，從而推遲失速迎角，提高模型的最大升力系數(shù)，同時(shí)由于滑流的存在增加了平尾的下洗角，降低了飛機(jī)的縱向安定性，為飛機(jī)設(shè)計(jì)研制提供了重要有效數(shù)據(jù)保障。

4 結(jié) 論

(1)旋轉(zhuǎn)軸天平的電壓輸出信號(hào)增量與數(shù)字量呈線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此，可由天平校準(zhǔn)公式計(jì)算出天平測(cè)量拉力、升力、扭矩、偏航等的氣動(dòng)載荷。用這種方法同樣可以測(cè)量應(yīng)變、振動(dòng)頻率等。

(2)經(jīng)過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到旋轉(zhuǎn)軸天平在每旋轉(zhuǎn)1圈時(shí)固定角度下的氣動(dòng)力載荷信號(hào)值，將多周的數(shù)據(jù)平均值經(jīng)過(guò)天平公式計(jì)算，得到在固定角度下的螺旋槳槳葉的載荷，按需要的坐標(biāo)系進(jìn)行投影，得到相應(yīng)坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力載荷值，該方法能夠得到可靠、穩(wěn)定且快速響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸天平載荷數(shù)據(jù)。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同雷諾數(shù)下，隨著拉力系數(shù)增加，飛機(jī)模型的氣動(dòng)力系數(shù)增大。