榮祥森，李方吉，趙 清，段 帥

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

0 引言

1.2 m風(fēng)洞是一座半回流暫沖式跨超聲速風(fēng)洞，是我國(guó)先進(jìn)飛行器研制的重要地面試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)。進(jìn)氣道試驗(yàn)是其中重要的試驗(yàn)內(nèi)容。流量調(diào)節(jié)(即節(jié)流與流量測(cè)量)機(jī)構(gòu)是進(jìn)氣道風(fēng)洞試驗(yàn)中的重要技術(shù)設(shè)備之一。從某種意義上說，流量調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展在一定程度上制約了進(jìn)氣道風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

現(xiàn)有的流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于尺寸的限制，只能進(jìn)行單發(fā)進(jìn)氣道試驗(yàn)。

為驗(yàn)證1.2 m風(fēng)洞進(jìn)行雙發(fā)進(jìn)氣道試驗(yàn)的可行性，本文提出了一種分布式流量調(diào)節(jié)方法，即采用“化整為零”的思想，以“分布”式流量調(diào)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流錐“集中”式流量調(diào)節(jié)。這一方法提高了節(jié)流機(jī)構(gòu)的流通效率和流量調(diào)節(jié)能力，降低了節(jié)流機(jī)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的干擾。同時(shí)，采用分布式流量調(diào)節(jié)方法能夠有效減小節(jié)流與流量測(cè)量機(jī)構(gòu)的外形尺寸，降低了機(jī)構(gòu)安裝的空間要求[1-2]。

1 分布式流量調(diào)節(jié)與測(cè)控系統(tǒng)總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)方案

在1.2 m風(fēng)洞現(xiàn)有埋入式進(jìn)氣道試驗(yàn)裝置(入口直徑為70 mm，內(nèi)管道通徑為130 mm，音速噴管直徑為83 mm，總體長(zhǎng)度為1 140 mm)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套分布式流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(內(nèi)管道通徑減小為95 mm，音速噴管直徑減小為80 mm)替換原有音速噴管。

節(jié)流錐節(jié)流示意圖如圖1所示。

圖1 節(jié)流錐節(jié)流示意圖 Fig.1 Throttling flow cone diagram

分布式節(jié)流示意圖如圖2所示。

圖2 分布式節(jié)流示意圖 Fig.2 Distributed flow regulator diagram

試驗(yàn)時(shí)，原節(jié)流與流量測(cè)量機(jī)構(gòu)的節(jié)流錐處于“全開”位置，通過分布式流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)進(jìn)氣道的流量，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性。

結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。主要零部件如圖4所示。其中，關(guān)鍵零部件為動(dòng)導(dǎo)流片系統(tǒng)和靜導(dǎo)流片系統(tǒng)。

圖3 結(jié)構(gòu)方案示意圖 Fig.3 Schematic diagram

圖4 主要零部件示意圖 Fig.4 Main parts schematic

在測(cè)量段上沿，周向均布了8個(gè)測(cè)壓耙臂。每個(gè)測(cè)壓耙臂上按等環(huán)面積方式分布了5個(gè)穩(wěn)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)，總計(jì)40個(gè)，用于測(cè)量進(jìn)氣道出口截面的總壓恢復(fù)。在該截面的管壁上沿周向均布了8個(gè)穩(wěn)態(tài)靜壓測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量進(jìn)氣道出口的靜壓。在進(jìn)氣道出口截面沿周向設(shè)置了3個(gè)動(dòng)態(tài)總壓測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量進(jìn)氣道出口湍流度[3]。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)方案

測(cè)控系統(tǒng)的核心任務(wù)是流量調(diào)節(jié)控制和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。流量調(diào)節(jié)控制通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流片系統(tǒng)和靜導(dǎo)流片系統(tǒng)相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集是將動(dòng)態(tài)傳感器的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后通過動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊采集實(shí)現(xiàn)。經(jīng)調(diào)研，選用了美國(guó)NI公司的開放式產(chǎn)品，并基于NI-PXI框架實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)包括工控機(jī)、PXI機(jī)箱、零槽模塊、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)據(jù)采集卡和放大器等設(shè)備。

這部分功能作為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，將協(xié)同1.2 m風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)、電子掃描閥(壓力測(cè)量)系統(tǒng)，完成1.2 m風(fēng)洞進(jìn)氣道試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同工作和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及顯示，各個(gè)子系統(tǒng)間需要通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起。測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 Structure of measurement and control system

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

流量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器、控制箱(集成有電源和驅(qū)動(dòng)器)、數(shù)字量I/O模塊、電機(jī)和限位開關(guān)組成。

運(yùn)動(dòng)控制器選用了NI-PXI 7330系列四軸步進(jìn)電機(jī)控制器PXI 7334，通過控制器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠帶動(dòng)動(dòng)導(dǎo)流片運(yùn)動(dòng)。通過安裝在電機(jī)上的編碼器，將位置信息反饋到控制器，從而形成閉環(huán)控制。

電機(jī)選用E35M4B-05-A11型號(hào)的電機(jī)，規(guī)格為35 mm×35 mm。驅(qū)動(dòng)器選用與電機(jī)配套的兩相細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

編碼器選用美國(guó)US DIGITAL 公司生產(chǎn)的增量式編碼器，型號(hào)為E6-400-787，線數(shù)為400線，經(jīng)過4倍電子細(xì)分，每圈輸出脈沖數(shù)為1 600。根據(jù)絲杠螺距2.54 mm計(jì)算，其分辨率為0.001 6 mm。

限位開關(guān)為單刀雙擲開關(guān)。限位開關(guān)有三個(gè)端子，分別為公共端、常閉端和常開端。沒有限位時(shí)，公共端和常閉端接通；限位時(shí)，公共端和常開端接通。

PXI-6527是一個(gè)48位帶隔離數(shù)字I/O模塊，用作電機(jī)限位信號(hào)的讀取。

2.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓力傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集處理系統(tǒng)、放大器等組成。

PXI-4472B是一個(gè)8通道并行數(shù)據(jù)采集模塊，最高采樣率為102.4 kS/s，用作動(dòng)態(tài)傳感器信號(hào)的采集[4]。

PXI-4472B的抗混迭濾波器由一個(gè)截止頻率隨采樣率變化的數(shù)字濾波器和一個(gè)截止頻率400 kHz的模擬濾波器組成。數(shù)字濾波器的通帶為DC到0.453 5fs，-3 dB頻率為0.486 3fs，截止頻率為0.546 5fs。其中，fs為采樣頻率，單位為kS/s。通過抗混迭濾波器的使用，可以濾除被測(cè)信號(hào)中的高頻成分，使被測(cè)信號(hào)的頻率與PXI-4472B的采樣率滿足采樣定理，避免信號(hào)發(fā)生混迭。

ENDEVCO 136 DC放大器是一個(gè)三通道信號(hào)調(diào)理模塊，適用于壓阻式加速度計(jì)、可變電容式加速度計(jì)和一般的壓力傳感器。它的放大倍數(shù)從0到1 000可調(diào)，含有一個(gè)插入式的低通濾波器，頻率從10 Hz到80 kHz可選。本文選擇的是10 kHz的濾波模塊[5]。

本文采用同步采集模式。該模式是指采集命令發(fā)出后，直到采樣完成采集函數(shù)才返回的采樣方式。使用DAQ_Op函數(shù)完成單通道的同步采集，使用SCAN_Op函數(shù)完成多通道的同步采集，采樣率、通道表和增益表的設(shè)定也在函數(shù)DAQ_Op(SCAN_Op)中完成。為了確保發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)控制權(quán)能返回應(yīng)用程序，需要使用Timeout_Config函數(shù)設(shè)定一個(gè)時(shí)間限制。如采集命令發(fā)出后在限定的時(shí)間內(nèi)沒能完成數(shù)據(jù)采集，采集過程將結(jié)束，控制權(quán)返回應(yīng)用程序并發(fā)出一個(gè)超時(shí)錯(cuò)誤信號(hào)。

根據(jù)需要，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試信號(hào)為f=1 kHz、urms=1 V的正弦信號(hào)。PXI-4472B的采樣率設(shè)為51.2 kHz。

①同一個(gè)模塊不同通道間的同步功能測(cè)試：將被測(cè)信號(hào)分別加入同一塊PXI-4472B的兩個(gè)通道，對(duì)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，得出相位差約為0.000 3°。

②抗混迭濾波功能測(cè)試：保持信號(hào)幅值和頻率不變，PXI-4472B的采樣率逐步降低，計(jì)算采樣數(shù)據(jù)的均方根值進(jìn)而算出信號(hào)衰減幅度。

抗混迭濾波測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 抗混迭濾波測(cè)試結(jié)果 Tab.1 Anti-mixing filter test results

由測(cè)試結(jié)果可見，抗混迭濾波通帶平坦，過渡帶窄。

動(dòng)態(tài)傳感器采用了美國(guó)Kulite公司專門研制的一種超小型半導(dǎo)體壓阻式傳感器。這種傳感器尺寸小、敏感部分可小到0.01英寸(1英寸=25.4 mm)、頻率響應(yīng)高、靈敏度高，滿足試驗(yàn)需求[6]；長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，耐各種惡劣環(huán)境，是帶有加速度補(bǔ)償?shù)膲毫鞲衅鳎豢蓱?yīng)用于高振動(dòng)、高加速度和高溫環(huán)境。該傳感器量程為206.84 kPa，尺寸為1.6 mm，頻率為1 500 kHz，精度為0.1%，溫度范圍為-200～+1 100 ℃。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算得到進(jìn)氣道出口湍流度。

(1)

(2)

(3)

2.3 控制軟件

本系統(tǒng)的核心功能是通過控制動(dòng)導(dǎo)流片的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。但為了保證正常工作，系統(tǒng)還需要具有一系列輔助功能。控制軟件基于LabWindows/CVI平臺(tái)開發(fā)，通過調(diào)用NI-Motion軟件提供的編程接口實(shí)現(xiàn)所需的各種功能。整個(gè)進(jìn)氣道試驗(yàn)軟件還包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、與系統(tǒng)其他部分的通信、數(shù)據(jù)處理等功能。

2.4 試驗(yàn)過程

每次試驗(yàn)前，先設(shè)置好位置，將動(dòng)導(dǎo)流片置于初始位置，然后開始試驗(yàn)。在流場(chǎng)建立、攻角走到試驗(yàn)位置后，進(jìn)入階梯循環(huán)。①動(dòng)導(dǎo)流片到指定位置，開始動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，1.2 m風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)和電子掃描閥系統(tǒng)開始靜態(tài)數(shù)據(jù)采集。②完成數(shù)據(jù)采集后，風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)和電子掃描閥系統(tǒng)都將數(shù)據(jù)傳到主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、顯示和初步分析。此時(shí)，分析人員可根據(jù)顯示的結(jié)果對(duì)預(yù)定的試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。如此循環(huán)，直到吹風(fēng)結(jié)束。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖 Fig.6 Control flowchart of the system

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

驗(yàn)證試驗(yàn)是在進(jìn)氣道模型α=0°和β=0°條件下進(jìn)行的，主要開展了M=0.9、1.2和2.0時(shí)不同調(diào)節(jié)方式對(duì)比試驗(yàn)。分布式調(diào)節(jié)試驗(yàn)時(shí)，節(jié)流錐處于“全開”位置，流量調(diào)節(jié)通過分布式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；節(jié)流錐調(diào)節(jié)試驗(yàn)時(shí)，安裝原有音速噴管。

圖7給出了M為0.9、1.2和2.0時(shí)，兩種調(diào)節(jié)方式總壓恢復(fù)系數(shù)σ隨流量系數(shù)φ的變化對(duì)比曲線。

由圖7可知，在M=0.9和1.2時(shí)，分布式調(diào)節(jié)與節(jié)流錐調(diào)節(jié)的σ-φ曲線一致性較好。其中，大流量時(shí)流量系數(shù)差異在0.01范圍以內(nèi)；在M=2.0時(shí)，分布式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)流量與1.2 m風(fēng)洞現(xiàn)有節(jié)流錐流量調(diào)節(jié)與測(cè)量裝置的流量相當(dāng)，能夠滿足目前大多數(shù)型號(hào)的進(jìn)氣道試驗(yàn)需求[8]。但是相比現(xiàn)有節(jié)流錐流量調(diào)節(jié)與測(cè)量裝置130 mm的內(nèi)道通徑，分布式節(jié)流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的內(nèi)通道直徑僅有95 mm。因此，采用分布式流量調(diào)節(jié)方法，能夠有效減小節(jié)流與流量測(cè)量機(jī)構(gòu)的外形尺寸，降低機(jī)構(gòu)安裝的空間要求。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線 Fig.7 Comparison curves of test results

從最終試驗(yàn)結(jié)果看，分布式調(diào)節(jié)方式對(duì)上、下游流動(dòng)的影響小。

4 結(jié)論

本文在1.2 m風(fēng)洞現(xiàn)有流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種分布式流量調(diào)節(jié)方法，對(duì)分布式流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：①分布式調(diào)節(jié)驗(yàn)證方案是可行的，內(nèi)管道通徑為95 mm的分布式流量調(diào)節(jié)與測(cè)量裝置能夠滿足1 m量級(jí)高速風(fēng)洞進(jìn)氣道試驗(yàn)的流量需求;②分布式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)上、下游流動(dòng)影響較小;③流量調(diào)節(jié)控制和動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)滿足使用要求;④采用分布式流量調(diào)節(jié)方法，能夠有效減小節(jié)流與流量測(cè)量機(jī)構(gòu)的外形尺寸，降低機(jī)構(gòu)安裝的空間要求。

分布式流量調(diào)節(jié)提高了節(jié)流機(jī)構(gòu)的流通效率和流量調(diào)節(jié)能力，有效減小了流量節(jié)流機(jī)構(gòu)的外形尺寸，能夠?yàn)?.2 m風(fēng)洞雙發(fā)進(jìn)氣道試驗(yàn)技術(shù)提供技術(shù)支持。