唐建平吳福章蒲利東曾憲昂張海酉張 磊

1．中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽(yáng) 621000; 2．中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,西安 710089

0 引 言

風(fēng)洞陣風(fēng)試驗(yàn)是開(kāi)展陣風(fēng)響應(yīng)和載荷減緩技術(shù)研究的重要手段,主要用于驗(yàn)證陣風(fēng)響應(yīng)理論計(jì)算方法、研究陣風(fēng)減緩對(duì)飛機(jī)操穩(wěn)特性的影響、評(píng)估和鑒定陣風(fēng)減緩技術(shù)方案的合理性和有效性。陣風(fēng)響應(yīng)不僅涉及飛機(jī)的結(jié)構(gòu)彈性模態(tài),而且與飛機(jī)的長(zhǎng)、短周期剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)密切相關(guān)[1]。為了準(zhǔn)確模擬陣風(fēng)響應(yīng)和減緩控制效果,陣風(fēng)試驗(yàn)中模型應(yīng)處于“完全自由”狀態(tài),保持與真實(shí)飛行狀態(tài)一致。在風(fēng)洞試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)“完全自由”狀態(tài)十分不易,自由飛試驗(yàn)是一種理想的方法,但目前國(guó)內(nèi)自由飛試驗(yàn)技術(shù)尚處于發(fā)展之中,開(kāi)展自由飛陣風(fēng)試驗(yàn)在技術(shù)上還不成熟。鑒于沉浮和俯仰方向是陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣傮w運(yùn)動(dòng)關(guān)注的重點(diǎn),研制一種兩自由度支撐裝置是保障全機(jī)模型陣風(fēng)試驗(yàn)順利開(kāi)展的重要基礎(chǔ)。

兩自由度支撐裝置需要在沉浮和俯仰自由度上提供模型在風(fēng)洞中的“自由飛行狀態(tài)”,要求試驗(yàn)過(guò)程中支撐裝置在沉浮和俯仰自由度上對(duì)模型的附加約束(包括附加剛度和摩擦力)必須盡可能小。另外,模型自由狀態(tài)下的陣風(fēng)試驗(yàn)危險(xiǎn)性高,稍有不慎模型就可能產(chǎn)生大幅的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),容易導(dǎo)致模型甚至風(fēng)洞設(shè)備損壞,因此兩自由度全機(jī)模型支撐裝置必須充分考慮安全防護(hù)措施。

國(guó)外陣風(fēng)試驗(yàn)技術(shù)已得到了較為全面的發(fā)展[2-9]。在美國(guó)對(duì)SensorCraft概念飛行器組織開(kāi)展的陣風(fēng)減緩風(fēng)洞試驗(yàn)研究中,支撐技術(shù)得到了較大發(fā)展[6-7]。在模型“自由飛行狀態(tài)”風(fēng)洞陣風(fēng)試驗(yàn)環(huán)節(jié),在TDT風(fēng)洞中針對(duì)半模和全模分別建立了三自由度和兩自由度支撐裝置[8-9]。TDT的全模兩自由度支撐裝置方案是一個(gè)小車(chē)單元在一根狹長(zhǎng)的垂向矩形梁上運(yùn)動(dòng),模型安裝于小車(chē)上且有俯仰方向的自由度。該方案具有液壓剎車(chē)系統(tǒng),小車(chē)重量較大,偏航方向支撐剛度較低,適用于模型較小、慣量不太大的高風(fēng)速陣風(fēng)減緩校核試驗(yàn)。對(duì)于低風(fēng)速(不高于40 m/s)的全機(jī)陣風(fēng)試驗(yàn),該系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,不利于陣風(fēng)試驗(yàn)的方案選型和廣泛開(kāi)展。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力研究所和北京航空航天大學(xué)等單位曾于2007～2010年在3 m和8 m量級(jí)風(fēng)洞中建立了陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)M能力[10],但模型支撐配套方面還難以滿(mǎn)足實(shí)際需求,開(kāi)展的陣風(fēng)試驗(yàn)主要以剛性支撐[11]和兩自由度半模支撐[12]為主。五自由度懸浮支撐系統(tǒng)[13]適用于全機(jī)顫振試驗(yàn),允許模型在沉浮、俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)和側(cè)擺自由度方向運(yùn)動(dòng),但運(yùn)動(dòng)受到較大約束,不適用于全機(jī)陣風(fēng)減緩試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)開(kāi)展全機(jī)陣風(fēng)試驗(yàn)的支撐裝置[14]。

1 設(shè)計(jì)要求

兩自由度支撐裝置設(shè)計(jì)需考慮如下要求:

1)模型。支撐裝置應(yīng)提供模型一定范圍內(nèi)的沉浮和俯仰自由運(yùn)動(dòng)。8 m×6 m風(fēng)洞陣風(fēng)發(fā)生器產(chǎn)生的流場(chǎng)區(qū)域垂向高度為1．5 m,考慮到模型穿越陣風(fēng)影響,沉浮極限運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)達(dá)到2．0 m。俯仰角度范圍應(yīng)適中,角度范圍越大,模型與支撐的空隙越大,氣動(dòng)影響就越大;角度范圍太小,則俯仰運(yùn)動(dòng)不可保證。模型做俯仰和沉浮運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦應(yīng)盡可能小。

2)風(fēng)洞。8 m×6 m風(fēng)洞是國(guó)內(nèi)8 m量級(jí)主力風(fēng)洞,現(xiàn)有試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)不宜做大的改動(dòng)。在風(fēng)洞洞壁新增支撐部件會(huì)破壞風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的完整性,不利于風(fēng)洞長(zhǎng)久使用。因此,支撐裝置應(yīng)基于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)條件設(shè)計(jì)連接部件。

3)狀態(tài)更換。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行檢查和更換狀態(tài)時(shí),模型位置應(yīng)便于人員操作。

4)安全。支撐裝置應(yīng)有可靠的俯仰和沉浮限位,模型碰到限位時(shí)應(yīng)有一定緩沖;同時(shí),模型發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)應(yīng)有必要的人工干預(yù)措施。

5)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)。支撐裝置不能影響模型結(jié)構(gòu)特性,對(duì)模型的附加質(zhì)量應(yīng)盡可能小且保證強(qiáng)度;應(yīng)考慮盡量減小對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)的氣動(dòng)干擾。

6)后期維護(hù)。支撐裝置應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件,保證裝置的可靠性和維護(hù)便捷性。

2 設(shè)計(jì)及實(shí)際效果

2.1 陣風(fēng)試驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

裝置的研制目的是為開(kāi)展全機(jī)陣風(fēng)試驗(yàn)提供模型支撐。陣風(fēng)試驗(yàn)總體方案如圖1所示。

試驗(yàn)系統(tǒng)包括3大部分:陣風(fēng)發(fā)生器、支撐裝置、模型(含振動(dòng)測(cè)量和飛行控制系統(tǒng))。支撐主體為單根立柱,模型可通過(guò)滑塊沿立柱上下沉浮運(yùn)動(dòng),也可繞滑塊俯仰運(yùn)動(dòng)。

2.2 支撐裝置設(shè)計(jì)

支撐裝置如圖2所示。裝置整體結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng),總高6 m,裝置主體包括3個(gè)部分:上支架、支撐立柱和下支架。

圖2 兩自由度支撐裝置設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the two DOFs support system

支撐裝置與風(fēng)洞連接設(shè)計(jì)為負(fù)公差,確保安裝后立柱承受拉力。上支架通過(guò)4個(gè)大號(hào)長(zhǎng)螺桿與風(fēng)洞頂門(mén)牢固連接。下支架底座為一塊2×103kg的平板,通過(guò)壓條壓緊于風(fēng)洞地板上,以保證支架安裝的平整度。立柱高約3．5 m,橫截面尺寸為100 mm×150 mm,主體為“H”形整體鋼梁,左右兩側(cè)面各內(nèi)嵌一根長(zhǎng)為3．5 m的直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌上下兩端安裝沉浮限位緩沖器,上下緩沖器最大間距為2．8 m。為減小氣動(dòng)干擾,在立柱迎風(fēng)面設(shè)計(jì)圓弧型金屬整流罩。立柱不僅能夠滿(mǎn)足模型上下穿越陣風(fēng)區(qū)域的要求,而且當(dāng)模型位于立柱下端時(shí),距離風(fēng)洞地板高度僅1．2～1．5 m,便于試驗(yàn)人員檢查模型和更換狀態(tài)。

如圖3所示,以一鋁框內(nèi)側(cè)連接方形滑塊(左右各一)制成可沿導(dǎo)軌做沉浮運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)小車(chē)。小車(chē)左右外側(cè)面各安裝一個(gè)滾動(dòng)軸承,模型通過(guò)滾動(dòng)軸承與小車(chē)連接。以2對(duì)M10螺釘作為模型俯仰角限位(每對(duì)螺釘分別作為俯仰角上、下限位,圖中僅繪制一個(gè)螺釘以作示意)。模型俯仰角度范圍隨模型厚度而定,30 cm厚的模型俯仰角度范圍可達(dá)±10°。為減小小車(chē)沿立柱沉浮運(yùn)動(dòng)的摩擦系數(shù),直線導(dǎo)軌采用滾輪式。

圖3 滑動(dòng)小車(chē)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of the carriage unit

模型沉浮運(yùn)動(dòng)位置由磁柵尺實(shí)時(shí)測(cè)量,磁柵頭安裝于小車(chē)鋁框的安裝座上;模型俯仰運(yùn)動(dòng)位置由角位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量,角位移傳感器安裝于滾動(dòng)軸承的轉(zhuǎn)軸中心上,如圖3所示。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 靜強(qiáng)度分析

采用CATIA軟件進(jìn)行有限元建模和靜強(qiáng)度分析。

材料物理特性:上支架、下支架主體采用Q345鋼,導(dǎo)軌采用鋁合金6061-T6,小車(chē)采用鋁合金7075-T6,螺釘、底座及其他結(jié)構(gòu)采用45號(hào)鋼。Q345鋼、鋁合金6061-T6、7075-T6和45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度分別為345、290、460和450 MPa。

將上支架、下支架、支撐立柱與小車(chē)裝配為一體,小車(chē)可沿立柱滑動(dòng)。約束上支架與洞壁連接各點(diǎn),下支架約束底面。靜強(qiáng)度分析時(shí),模型載荷施加于小車(chē)兩側(cè)安裝面,如表1所示。其中,Fy為垂直方向載荷,模擬重力(50 kg)、負(fù)升力(1倍重力)與沖擊力(3倍重力)之和;Fx為水平方向載荷,模擬氣動(dòng)阻力(1倍重力)。Fz為側(cè)向力;L、Nb、M分別為滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩。立柱氣動(dòng)阻力按照2800 Pa(風(fēng)速70 m/s)施加分布?jí)毫?。?yīng)力分布如圖4所示,最大應(yīng)力位于上支架螺桿連接處,大小為116 MPa。采取局部加強(qiáng)措施,將上支架螺桿上端螺紋材料改為45號(hào)鋼調(diào)質(zhì),安全系數(shù)為3．9。

圖4 裝置結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析Fig.4 Static strength analysis of the structure

表1 模型載荷Table 1 Load on model

模型俯仰角限位螺釘剪切強(qiáng)度按最低200 MPa計(jì)算。考慮僅單個(gè)螺釘發(fā)揮作用的極限情況,單個(gè)M10螺釘?shù)淖畲罂辜袅?．16×104N。模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以12．5 kg·m2(50 kg集中質(zhì)量,偏心距0．5 m)計(jì),沖擊角速度設(shè)為1 rad/s,沖擊時(shí)間以0．1 s計(jì),螺釘距轉(zhuǎn)動(dòng)軸承中心45 mm,可求得螺釘承受的瞬間沖擊力為2778 N,安全系數(shù)為4．2,故俯仰角限位可以保證安全。

綜上所述,裝置靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿(mǎn)足安全要求。

2.3.2 模態(tài)分析

采用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析,如圖5所示。模型在支撐裝置上做剛體運(yùn)動(dòng),因此要求支撐裝置的剛度應(yīng)盡可能高,避免對(duì)模型運(yùn)動(dòng)造成影響。根據(jù)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)[6],裝置的最低階固有頻率應(yīng)在10 Hz以上。模態(tài)分析結(jié)果表明,裝置最低階模態(tài)為上支架扭轉(zhuǎn),固有頻率為12．9 Hz。可見(jiàn),支撐裝置剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 裝置結(jié)構(gòu)模態(tài)分析Fig.5 Modal analysis of the structure

2.4 氣動(dòng)影響分析

支撐裝置立柱穿過(guò)模型機(jī)身(見(jiàn)圖1),破壞了機(jī)身封閉構(gòu)型,會(huì)對(duì)機(jī)身繞流造成一定影響,同時(shí)導(dǎo)致機(jī)身上下表面竄氣。因此,和其他支撐一樣,該裝置會(huì)使模型受到一定的支架干擾,尤其是升力會(huì)降低。對(duì)陣風(fēng)試驗(yàn)而言,雖然也關(guān)心絕對(duì)量,但更關(guān)心相對(duì)量,如陣風(fēng)載荷相對(duì)全機(jī)氣動(dòng)載荷的大小、陣風(fēng)減緩幅度等,因此,裝置的氣動(dòng)影響相對(duì)可以接受。

2.5 安裝及測(cè)試

支撐裝置安裝于試驗(yàn)段的實(shí)際效果如圖6所示。安裝支撐裝置時(shí),依次安裝下支架、立柱和上支架。安裝模型時(shí),將立柱與下支架分離,立柱與上支架隨頂門(mén)上升并移開(kāi),將模型放置于下支架頂部的矩形小平臺(tái)上,再將立柱自上而下穿過(guò)模型與下支架連接。

采用斜面法測(cè)試小車(chē)沉浮運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)。將立柱放平,小車(chē)置于滑軌一端;逐漸增大立柱傾斜度,直至小車(chē)克服阻力滑向另一端,此時(shí)的摩擦阻力與模型的重力分量平衡。以?xún)A斜儀測(cè)得此時(shí)立柱與水平面的夾角為0．37°,可求出小車(chē)沉浮運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.006。俯仰滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)約為0.002。沉浮和俯仰運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)均很小,完全滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)自由度要求。

為測(cè)試沉浮限位緩沖器的抗沖擊能力,設(shè)計(jì)了一個(gè)墜落實(shí)驗(yàn),如圖6(c)所示。將小車(chē)加上砝碼和其他配重(總質(zhì)量50 kg),從距緩沖器的不同高度順導(dǎo)軌下落。當(dāng)下落高度為0．5、1．0和1．5 m時(shí),緩沖器工作正常。當(dāng)下落高度達(dá)到2．0 m時(shí),緩沖器受損。因此,在不計(jì)氣動(dòng)力影響的前提下,50 kg模型的沉浮自由行程1．5 m對(duì)目前緩沖器是安全的,可根據(jù)需要設(shè)定上下緩沖器的安裝間距。

圖6 支撐裝置實(shí)物Fig.6 Support system entities

試驗(yàn)中,模型與小車(chē)一起做沉浮運(yùn)動(dòng),小車(chē)質(zhì)量是模型的附加質(zhì)量,在模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予減去。為減輕小車(chē)質(zhì)量,降低模型設(shè)計(jì)難度,小車(chē)鋁框以高強(qiáng)度航空鋁合金7075-T6整體加工成型,實(shí)測(cè)小車(chē)整體質(zhì)量(含安裝螺釘)為5．9 kg。

支撐裝置迎風(fēng)投影面積為1．05 m2,安裝于試驗(yàn)段的堵塞度約為2．2%。對(duì)所有阻塞度不大于2．8%的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?整套系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)段的流場(chǎng)干擾均可接受。

為保證安全,在小車(chē)上安裝一根細(xì)鋼絲作為防護(hù)線,防護(hù)線穿過(guò)風(fēng)洞地板至洞外。當(dāng)模型出現(xiàn)長(zhǎng)周期剛體模態(tài)時(shí),人工拉扯防護(hù)線。模型在自身重力和鋼絲繩拉力作用下,較容易克服升力作用,降落至立柱下端不再上升,從而避免運(yùn)動(dòng)發(fā)散。

3 試驗(yàn)應(yīng)用

目前,該支撐裝置已成功應(yīng)用于直機(jī)翼陣風(fēng)響應(yīng)試驗(yàn)(圖7)和某型飛機(jī)全機(jī)陣風(fēng)減緩試驗(yàn)。

圖7 直機(jī)翼陣風(fēng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 A straight wing gust test

在某型飛機(jī)全機(jī)陣風(fēng)減緩試驗(yàn)中,模型質(zhì)量約為50 kg,翼展4．6 m,最低階模態(tài)為機(jī)翼對(duì)稱(chēng)一彎11．5 Hz。模型沉浮和俯仰運(yùn)動(dòng)自由度放開(kāi),偏轉(zhuǎn)升降舵使模型升力與重力配平。在陣風(fēng)流場(chǎng)中,控制升降舵、副翼和襟翼等舵面組合偏轉(zhuǎn)進(jìn)行陣風(fēng)減緩測(cè)試。圖8給出了典型MATLAB仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

由圖8可見(jiàn),未開(kāi)啟控制律時(shí),試驗(yàn)和計(jì)算得到的法向過(guò)載、俯仰角速率的振幅和頻率基本一致,證明模型在兩自由度裝置上的運(yùn)動(dòng)符合自由運(yùn)動(dòng)模擬要求;開(kāi)啟控制律時(shí),計(jì)算得到的法向過(guò)載、俯仰角速率的減緩幅度分別為55%和75%,試驗(yàn)得到的減緩幅度分別為30%和50%。由此可見(jiàn),試驗(yàn)結(jié)果偏于保守,這是由于仿真計(jì)算模擬的條件相對(duì)有限,如無(wú)法模擬模型變形、復(fù)雜氣動(dòng)特性等,結(jié)果偏于理想化,試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況。

圖8 某全機(jī)陣風(fēng)減緩計(jì)算結(jié)果與兩自由度試驗(yàn)結(jié)果(陣風(fēng)頻率1.5 Hz)Fig.8 Gust load alleviation simulation results and test results of a full model on the two DOFs support system(gust frequency 1.5 Hz)

4 結(jié) 論

為滿(mǎn)足全機(jī)陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭涡枨?在8 m×6 m風(fēng)洞中研制了一套兩自由度支撐裝置。經(jīng)調(diào)試和試驗(yàn)應(yīng)用,得到以下結(jié)論:

1)該裝置可提供模型沉浮和俯仰運(yùn)動(dòng)自由度,摩擦系數(shù)小,滿(mǎn)足放開(kāi)飛機(jī)剛體模態(tài)要求。

2)該裝置在沉浮和俯仰方向具有限位和安全防范措施,滿(mǎn)足陣風(fēng)試驗(yàn)防護(hù)要求。

3)該裝置的研制解決了在國(guó)內(nèi)8 m量級(jí)風(fēng)洞開(kāi)展全機(jī)陣風(fēng)試驗(yàn)的模型支撐問(wèn)題,提升了陣風(fēng)試驗(yàn)?zāi)M能力。