徐 越， 邱俊文， 李 聰， 徐鐵軍

（1.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院， 黑龍江 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， 黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

飛機(jī)模型動(dòng)力模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中的推力矢量技術(shù)因其對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)的性能、 作戰(zhàn)效率和生存能力的極大地提高，已成為許多國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的航空關(guān)鍵技術(shù)。目前西方國(guó)家第三，四代戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)大量使用推力矢量技術(shù)，正在研制發(fā)展的第五代戰(zhàn)斗機(jī)均把推力矢量技術(shù)作為必備技術(shù)之一，而發(fā)展推力矢量技術(shù)的基礎(chǔ)是研制具有推力矢量偏轉(zhuǎn)的多功能噴管。在發(fā)展飛機(jī)模型動(dòng)力模擬風(fēng)洞試驗(yàn)推力矢量噴管技術(shù)中，研制一種用于研究推力矢量噴管性能實(shí)驗(yàn)的空氣橋天平變得十分重要。

1 天平總體設(shè)計(jì)

1.1 天平主要技術(shù)難點(diǎn)

該空氣橋天平將用于矢量推力后體測(cè)力試驗(yàn)，要求測(cè)量出外流場(chǎng)對(duì)內(nèi)流推進(jìn)特性的影響，即測(cè)量出外部氣動(dòng)力的同時(shí)還要測(cè)量噴管推力。 考慮到機(jī)身模型內(nèi)部需要安裝通氣管道，而模型內(nèi)部空間有限，空氣橋天平體采用環(huán)式結(jié)構(gòu)。 通氣管道從天平中間穿過(guò)，天平固定端與模型端高壓供氣管路采用波紋管連接，這樣可以有效減小供氣壓力對(duì)天平測(cè)立的干擾影響。

由于天平采用環(huán)式結(jié)構(gòu)，而阻力載荷相對(duì)較大，所以阻力段采用“U”型結(jié)構(gòu)。 這樣既能提高阻力測(cè)量精度、減小其它分量的干擾，又對(duì)整體剛度做了較大的貢獻(xiàn)。 阻力支撐片設(shè)置12 片前后對(duì)稱；阻力測(cè)量片設(shè)置4 片。 采用雙四柱梁元件測(cè)量其它五個(gè)分量；校心置于雙四柱梁元件的對(duì)稱中心。 風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)天平受力較為復(fù)雜，這種結(jié)構(gòu)使天平具有較好的力分解能力和較高的剛度。天平前后連接形式采用法蘭盤(pán)連接，連接孔為4 個(gè)M8 螺孔和2 個(gè)銷釘。

天平法向力和力矩電橋組合采用前后貼片組橋，軸向力X 元件貼片盡量靠近根部， 用以粘貼應(yīng)變片的底基部分，最大應(yīng)變處就是應(yīng)變計(jì)的有效絲柵部分。 這樣對(duì)天平的剛度并沒(méi)有損害，但可提高軸向力元件8%～10% 的電壓輸出信號(hào)。若用減小軸向力元件厚度的辦法來(lái)提高輸出信號(hào)，則天平整體剛度就會(huì)減弱，各分量對(duì)軸向力X 元件的非線性干擾就會(huì)加劇， 天平相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，空氣橋天平結(jié)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

表1 天平設(shè)計(jì)參數(shù)表（毫米）Tab.1 Balance design parameters（mm）

圖1 空氣橋天平三維模型圖示意Fig.1 Three dimensional model of air bridge balance

1.2 天平設(shè)計(jì)計(jì)算

天平設(shè)計(jì)載荷如表2 所示。 應(yīng)用有限元方法進(jìn)行天平設(shè)計(jì)， 將天平測(cè)量元件作為彈性元件處理，并劃分為有限個(gè)單元。 天平網(wǎng)格劃分采用十結(jié)點(diǎn)四面體單元， 這種單元?jiǎng)澐衷趧偠扔?jì)算上較為準(zhǔn)確。 在天平主體處，網(wǎng)格密度可減少，網(wǎng)格畸變可大些。 在天平測(cè)量元件及其附近處，網(wǎng)格密度要大，網(wǎng)格畸變要小，以便能精確計(jì)算天平測(cè)量元件的應(yīng)力分布。有限元計(jì)算分析采用PATRAN 和NASTRAN 軟件。 結(jié)點(diǎn)數(shù)200200 為和單元數(shù)為125367，天平應(yīng)變?cè)茍D如圖2-9 所示，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表2 天平設(shè)計(jì)載荷Tab.2 Design load of balance

圖2 天平整體變形位移云圖Fig.2 Cloud chart of overall deformation and displacement of balance

圖3 天平整體應(yīng)力云圖Fig.3 Overall stress nephogram of balance

圖4 升力應(yīng)變?cè)茍DFig.4 Lift strain cloud

圖5 俯仰應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Elevation strain cloud

圖6 阻力應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Resistance strain nephogram

圖7 滾轉(zhuǎn)應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Rolling strain nephogram

圖8 側(cè)力應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Lateral stress-strain nephogram

圖9 偏航應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Yaw strain nephogram

表3 天平設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of balance design parameters

2 空氣橋天平校準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)

由于本天平桿徑較大，而升力載荷相對(duì)較小。 所以設(shè)計(jì)的加載設(shè)備尺寸較大，這樣會(huì)帶來(lái)加載設(shè)備自身重量較大，考慮到這點(diǎn)選用材料鋁材7075（即LC4），同時(shí)保證加載架的剛度。 天平要求校準(zhǔn)架具有角度復(fù)位功能，這樣在校準(zhǔn)過(guò)程中能消除系統(tǒng)誤差， 使測(cè)量結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確。圖10 為校準(zhǔn)裝置。該加載架縱向加載臂長(zhǎng)420mm，橫向加載臂長(zhǎng)600mm。 采用有限元方法對(duì)縱向筒剛度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖11 所示。

天平前端橫向撓度和彈性角f=0.0233mm， 即0.023/420=0.0055%，加載梁前端角度變化θ=0.173"，滿足天平加載精度0.01%要求。

圖10 天平校準(zhǔn)加載架三維圖Fig.10 Three dimensional diagram of balance calibration loading frame

圖11 天平整體位移分析Fig.11 Overall displacement analysis of balance

3 天平校準(zhǔn)方案

首先進(jìn)行空氣橋天平的地軸單元靜校， 得到該天平的校準(zhǔn)公式，然后對(duì)空氣橋天平施加綜合檢驗(yàn)載荷，計(jì)算得出天平的精度指標(biāo)和準(zhǔn)度指標(biāo)。然后安裝試驗(yàn)所用設(shè)備，進(jìn)行不通氣載荷靜校，得到此種情況下的天平靜校公式。

由于供氣需要，在天平與固定輸氣管道間安裝了全彈性波紋管。 由于波紋管的存在，為天平帶來(lái)了附加力和力矩， 并且該力和力矩隨著波紋管承受的壓力和流量而變化。這種附加力和力矩的存在使天平的測(cè)量值與試驗(yàn)的真實(shí)值之間存在很大的差異，因此，為獲得試驗(yàn)的真實(shí)值需要對(duì)天平的測(cè)量值進(jìn)行修正。 波紋管安裝組裝完成后，進(jìn)行空氣橋天平組合靜校。

按上述分析風(fēng)洞試驗(yàn)需要通過(guò)對(duì)天平測(cè)量值的兩次修正來(lái)獲得試驗(yàn)的真實(shí)值，兩次修正為：按波紋管承受壓力修正和按通過(guò)波紋管流量修正。

3.1 波紋管影響的修正-按受壓力

在不加載情況下將尾噴口堵塞，對(duì)天平試驗(yàn)管道進(jìn)行充氣，此時(shí)管路內(nèi)無(wú)流動(dòng)。 此時(shí)波紋管的彈性系數(shù)會(huì)隨著其承受的壓力不同而改變，使其對(duì)天平的附加力和力矩隨壓力而改變，使天平的輸出相應(yīng)改變。 記錄下壓力和相應(yīng)壓力下的天平輸出，以未充氣時(shí)天平的輸出為零點(diǎn)，計(jì)算波紋管因壓力而對(duì)天平產(chǎn)生的附加力和力矩，作為波紋管隨壓力變化對(duì)天平影響的修正。

3.2 波紋管影響的修正-按流通流量

氣流的流動(dòng)會(huì)使波紋管對(duì)對(duì)天平的附加力矩和力較無(wú)流動(dòng)時(shí)有所改變，必須對(duì)天平公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正.由于校準(zhǔn)所用噴管不是標(biāo)準(zhǔn)噴管，故噴管推力需要由測(cè)量和計(jì)算得出。 推力公式為：

式中：G—質(zhì)量流量（kg/s）； R—?dú)怏w常數(shù)，287.053 m2/s2K°；k—比熱比（冷噴流為1.4）；T0j—噴流總溫（K°）。

用計(jì)算得到的真實(shí)推力值減掉天平測(cè)得的值，并得到在相應(yīng)壓力下波紋管修正量，即為隨流量的修正量。 記錄下不同壓力下的波紋管修正量，得到推力的修正曲線。 其它分量用相應(yīng)壓力下天平充氣無(wú)流動(dòng)時(shí)天平輸出為零點(diǎn)，得到隨流量變化的修正曲線。

3.3 真實(shí)試驗(yàn)工作環(huán)境下校準(zhǔn)方法的探索

查閱相關(guān)資料，國(guó)內(nèi)相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)都是采用上述方法對(duì)天平測(cè)量值進(jìn)行修正。這種方法主要是先校準(zhǔn)出一套天平公式，然后再用不同的工作環(huán)境下通過(guò)測(cè)量與計(jì)算出相應(yīng)的干擾量進(jìn)行修正。 但由于天平校準(zhǔn)角度，安裝以及其他不可見(jiàn)誤差的產(chǎn)生，這樣得到的最終值是與真實(shí)值是有一定的誤差的。本套校準(zhǔn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在供氣管道通氣的環(huán)境下對(duì)推力矢量天平進(jìn)行校準(zhǔn)，得到各元主系數(shù)隨供氣壓力的變化規(guī)律修正曲線，通過(guò)這種辦法得到的天平公式是比較真實(shí)的。

4 結(jié)論

空氣橋天平及其校準(zhǔn)裝置的研制是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是多項(xiàng)技術(shù)的統(tǒng)一體，其中在真實(shí)試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)空氣橋天平進(jìn)行校準(zhǔn)獲得天平公式在當(dāng)時(shí)我國(guó)尚屬首例。經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和多方合作精心研制設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)空氣橋天平的校準(zhǔn)要求，并在比較其他類似試驗(yàn)的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新和改進(jìn)，是保證試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。