毛世鵬,王 萍,李盛文,周志堅(jiān),姚順禹,李 聰

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

0 引言

采用渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的飛機(jī)具有起飛著陸距離短、巡航時間長等特點(diǎn)，在運(yùn)輸機(jī)、通用飛機(jī)、支線客機(jī)等機(jī)種上有著廣泛的應(yīng)用。螺旋槳會對飛機(jī)產(chǎn)生較大的動力影響，如果不能確定產(chǎn)生的影響量，螺旋槳滑流會在很大程度上降低飛機(jī)的氣動效率；但如果可以對不利影響進(jìn)行分析并給與消除，螺旋槳滑流則可以大大地提高飛機(jī)的氣動效率[1]。

以往螺旋槳滑流風(fēng)洞試驗(yàn)都是采用特制大功率伺服電機(jī)作為螺旋槳驅(qū)動裝置[2]，但是隨著功率、扭矩的要求越來越高，目前已無法滿足動力模擬的需求。而渦輪空氣馬達(dá)是一種由高壓氣驅(qū)使軸體轉(zhuǎn)動，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)的一種裝置，具有體積小、功率大等優(yōu)點(diǎn)，同體積下功率是電機(jī)的5～10倍，用于風(fēng)洞試驗(yàn)中能夠獲得更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果[3]。

旋轉(zhuǎn)軸天平是為在風(fēng)洞模擬螺旋槳滑流試驗(yàn)中準(zhǔn)確測量氣動力、從而更精確的獲得螺旋槳滑流影響而設(shè)計(jì)[4]。其他常規(guī)天平只能測量飛機(jī)總體受到的氣動力影響，不能準(zhǔn)確反映出螺旋槳的滑流影響。而旋轉(zhuǎn)軸天平直接與螺旋槳相連并高速同步旋轉(zhuǎn)，將信號數(shù)據(jù)計(jì)算后得到天平軸系下的載荷，再經(jīng)過軸系轉(zhuǎn)換就能夠得到螺旋槳六分量載荷，可以準(zhǔn)確獲得螺旋槳滑流的影響量[5]。

1 試驗(yàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 旋轉(zhuǎn)軸天平試驗(yàn)原理

旋轉(zhuǎn)軸天平隨螺旋槳旋轉(zhuǎn)，需要高速滑環(huán)來傳輸信號并為其供電，長距離傳輸還容易受到電磁干擾和信號衰減的影響[6]；輸出的動態(tài)信號也需要確定每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的角位置，保證數(shù)據(jù)與相位信息一一對應(yīng)，這對采集同步性有著較高的要求，不同采集卡通道間不能有超過2微秒的相位差[7]；國內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)測量技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是還沒有動態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)測量的經(jīng)驗(yàn)，需要研究與其他靜態(tài)數(shù)據(jù)同步連續(xù)測量的試驗(yàn)方法。不同于其他常規(guī)天平，信號采集、處理的方法都更加復(fù)雜，因而需要研制一套高精度、高可靠性的信號處理系統(tǒng)，來保證獲取準(zhǔn)確的旋轉(zhuǎn)軸天平數(shù)據(jù)[8]。

圖1 螺旋槳、旋轉(zhuǎn)軸天平示意圖

風(fēng)洞滑流試驗(yàn)中使用旋轉(zhuǎn)軸天平測量螺旋槳的氣動力，固定在渦輪空氣馬達(dá)主軸上，直接螺旋槳相連并高速同步旋轉(zhuǎn)[9]。旋轉(zhuǎn)軸天平一般按照六分量天平設(shè)計(jì)，采用有限元方法計(jì)算螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平在六分量設(shè)計(jì)載荷下的位移及角度變化[10]，提取螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平體上關(guān)鍵位置處的動、靜態(tài)應(yīng)力值，得到該關(guān)鍵位置處各分量載荷的監(jiān)測計(jì)算系數(shù)，用于在風(fēng)洞試驗(yàn)時進(jìn)行螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平的載荷實(shí)時監(jiān)控[11]，保護(hù)螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平使用過程中不發(fā)生不可逆的過載損壞。

圖2 旋轉(zhuǎn)軸天平結(jié)構(gòu)與有限元分析示意圖

試驗(yàn)中，需要將旋轉(zhuǎn)軸系下的天平信號轉(zhuǎn)換成固定軸系下的螺旋槳?dú)鈩恿12]。首先將螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平在旋轉(zhuǎn)過程中采集到的信號數(shù)據(jù)計(jì)算得到天平軸系下的載荷，再經(jīng)過軸系轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換角度為數(shù)據(jù)采集時刻的天平軸系與短艙軸系的角度[13]，把天平載荷轉(zhuǎn)換到短艙固定軸系上，得到短艙軸系下的螺旋槳六分量載荷，同時需要扣除螺旋槳的重力影響量。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平信號處理系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源、高速滑環(huán)、信號調(diào)理設(shè)備、PXI動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、角位置采集器、控制主機(jī)和在線校準(zhǔn)裝置等幾部分組成。系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

旋轉(zhuǎn)軸天平供電由直流穩(wěn)壓電源通過滑環(huán)來提供，天平輸出的小信號容易受到電磁干擾和長距離傳輸衰減的影響，就近接入信號調(diào)理設(shè)備放大傳輸，接入PXI動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)利用推導(dǎo)信號處理方法計(jì)算成氣動力數(shù)據(jù)[14]。為了補(bǔ)償滑環(huán)通道阻值在高速旋轉(zhuǎn)時的變化，將天平電壓也進(jìn)行采集，用于消除供電誤差。采集系統(tǒng)由角位置脈沖觸發(fā)控制，角位置脈沖由控制系統(tǒng)產(chǎn)生[15]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 信號處理

將旋轉(zhuǎn)軸天平與螺旋槳固聯(lián)，在螺旋槳以ω角速度旋轉(zhuǎn)時，天平感受重力G、慣性力A、螺旋槳的6分力(YXZMyMxMz)，其中：O-XYZ為機(jī)體軸，O-XY’Z’為天平軸。

考慮到在低轉(zhuǎn)速下(30轉(zhuǎn)以下)，慣性力幾乎可以忽略。在無風(fēng)時進(jìn)行一周的低轉(zhuǎn)速天平數(shù)據(jù)采集，和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)位置的處理，可以得到?jīng)]有重力的天平輸出數(shù)據(jù)，其公式如下：

(1)

Y天平=Y螺旋槳cos(ωt+φ)+Z螺旋槳sin(ωt+φ)+AY

(2)

Z天平=Z螺旋槳cos(ωt+φ)-Y螺旋槳sin(ωt+φ)+Ax

(3)

My天平=My螺旋槳cos(ωt+φ)+

Mz螺旋槳sin(ωt+φ)+AY

(4)

Mz天平=Mz螺旋槳cos(ωt+φ)-

My螺旋槳sin(ωt+φ)+Ax

(5)

式中，ω為天平旋轉(zhuǎn)速度，t為轉(zhuǎn)動時間，φ為采集滯后相移角，AY、Ax為慣性力在天平軸Y,Z方向的投影。從公式中可以看出，只要求出相移角，就可以求出作用在旋轉(zhuǎn)軸天平上的氣動力。我們可以選取一個角度將測量裝置和天平固聯(lián)，傳感器每轉(zhuǎn)一周輸出一個完整的正弦波，其輸出零位和天平的零位完全相同，此時測量的波形滿足:

S=Asin(ωt+φ)

(6)

式中,S為采集系統(tǒng)測量的角度傳感器輸出值，A為傳感器輸出波形的幅值。

采用積分處理可得：

(7)

(8)

(9)

2.2 高速滑環(huán)

試驗(yàn)時，滑環(huán)旋轉(zhuǎn)端隨著渦輪空氣馬達(dá)軸和旋轉(zhuǎn)軸天平一起高速旋轉(zhuǎn)?；h(huán)在設(shè)備中起到電信號傳輸作用，外部電源通過滑環(huán)為旋轉(zhuǎn)軸天平供電，同時滑環(huán)將旋轉(zhuǎn)軸天平及槳葉應(yīng)變信號傳輸?shù)讲杉O(shè)備。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)動過程中，可能造成通道接觸電阻增大，需要滑環(huán)接觸電阻變化較小，并將校準(zhǔn)電壓信號通過滑環(huán)接入采集設(shè)備，以便于對傳輸損失進(jìn)行補(bǔ)償。

表1 滑環(huán)基本參數(shù)

2.3 高精度采集

實(shí)際在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，對于旋轉(zhuǎn)軸天平、轉(zhuǎn)速、振動等電信號的同步有著嚴(yán)格的要求，需要和轉(zhuǎn)速對應(yīng)的位置/相位信息一一對應(yīng)，因而對整個采集系統(tǒng)不同板卡的采集同步性有著較高的要求?？紤]到同步與觸發(fā)的原則，采用背板參考時鐘方案，所有模塊均采用CLK10及CLK100進(jìn)行時鐘同步，以同步觸發(fā)總線進(jìn)行內(nèi)部觸發(fā)啟動，使整個系統(tǒng)在信號采集中所有數(shù)據(jù)的時間嚴(yán)格對應(yīng)，保證了采集系統(tǒng)同步和觸發(fā)的一致性[17]。

旋轉(zhuǎn)軸天平的數(shù)據(jù)采集精度要優(yōu)于0.02%，還要具有較高的采樣率和數(shù)據(jù)傳輸帶寬來保證動態(tài)數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)選用了基于PXI總線的測試設(shè)備，采集精度可以滿足需求，具有高達(dá)200 K的采樣率，可以保證數(shù)據(jù)的完整性。采用了PXI的背板時鐘，以同步觸發(fā)總線進(jìn)行內(nèi)部采集觸發(fā)啟動，保證了采集的同步性[18]。

利用Labview編寫了數(shù)據(jù)采集程序，該軟件能夠與風(fēng)洞試驗(yàn)主控程序?qū)崟r通訊，收發(fā)數(shù)據(jù)信息和操作指令，同時控制PXI設(shè)備進(jìn)行信號的采集和預(yù)處理[19]。

圖4 采集軟件示意圖

還編制了試驗(yàn)主控軟件，可以進(jìn)行采集參數(shù)的設(shè)置，讀取天平原始數(shù)據(jù)文件，可以按照公式和算法進(jìn)行計(jì)算修正，來獲得氣動分析人員期望的數(shù)據(jù)結(jié)果，試驗(yàn)最終結(jié)果按照要求存入服務(wù)器中[20]。軟件具體功能如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件功能示意圖

該系統(tǒng)軟件界面可視化程度高，參數(shù)的修改直觀簡單，通過多次試驗(yàn)的使用驗(yàn)證，滿足數(shù)據(jù)采集的使用需求。

2.4 角位置采集

角位置采集裝置由編碼器信號轉(zhuǎn)換器、旋轉(zhuǎn)編碼器和相關(guān)軟件構(gòu)成，其核心部件是編碼器信號轉(zhuǎn)換器。

旋轉(zhuǎn)編碼器信號轉(zhuǎn)換器，是一種將增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的軸角正弦值，再以模擬電壓的形式輸出的設(shè)備。具體實(shí)現(xiàn)方法是利用CPLD及高性能處理器接收并處理增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號，計(jì)算脈沖數(shù)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)軸角，再計(jì)算出正弦值，最后用高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件(即DAC)轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。轉(zhuǎn)換器由脈沖信號接收器件、主處理器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器件、基準(zhǔn)電平器件、電源處理模塊幾部分組成。

圖6 編碼器信號轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

編碼器信號轉(zhuǎn)換器能夠處理的編碼器最高轉(zhuǎn)速為25 000轉(zhuǎn)/分，脈沖計(jì)數(shù)誤差不超過±2個/周，輸出±10 V，輸出電平誤差不超過±2毫伏。輸入A、B、Z相脈沖輸入，A、B兩相脈沖相位差為90度，編碼器正轉(zhuǎn)時A相在前，反轉(zhuǎn)時B相在前，轉(zhuǎn)換器能自動識別編碼器的線數(shù)和轉(zhuǎn)動方向，并能進(jìn)行錯誤識別輸出。

2.5 信號調(diào)理

旋轉(zhuǎn)軸天平輸出的信號只有幾個毫伏，需要經(jīng)過滑環(huán)長距離傳輸，容易受到電磁干擾和信號衰減的影響。這里采用天平信號就近接入前端信號調(diào)理設(shè)備，放大為伏級信號的傳輸方法。使用低噪聲放大器對幅度很小、頻率不超過150 Hz的小信號進(jìn)行預(yù)處理，為了避免數(shù)字信號處理時出現(xiàn)頻譜混疊，還要進(jìn)一步對模擬信號進(jìn)行抗混疊濾波，并通過功率放大器實(shí)現(xiàn)小信號放大。

2.6 同步觸發(fā)

因?yàn)闄C(jī)構(gòu)高速轉(zhuǎn)動，不同的采集卡需要同步觸發(fā)，通道間不能有超過2微秒的相位差。這里采用等位置觸發(fā)采集，保證采集周期的完整性。螺旋槳在高速旋轉(zhuǎn)時，控制轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速會存在一定的誤差。此時如采用定時采集，就不能保證做到整周期采集，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)度。采用等位置觸發(fā)采集，從根本上解決了這個問題，避免了由此造成的積分誤差。采集設(shè)備中采用了PXI的背板時鐘，以同步觸發(fā)總線進(jìn)行內(nèi)部采集觸發(fā)啟動，保證了采集的同步性。

2.7 動態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)采集

國內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)測量技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是還沒有動態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)測量的經(jīng)驗(yàn)。在測試過定時觸發(fā)等多種方法后，結(jié)果都不甚理想，最終選用了移動窗體觀察法。具體方法為天平轉(zhuǎn)動一周，間隔100 ms設(shè)立一個觀察窗，每隔0.8 s進(jìn)行一次采集，窗內(nèi)大約有500個數(shù)據(jù)點(diǎn)，經(jīng)過三階巴特沃斯濾波后，平均為一個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行存儲，這樣得到的數(shù)據(jù)更加線性，重復(fù)性較好。與法國F1風(fēng)洞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，處理后的結(jié)果一致，證明了該方法的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)步驟和方法

為了驗(yàn)證螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸天平的信號處理方法，以及帶動力試驗(yàn)時選擇螺旋槳的槳葉角等參數(shù)，首先需要進(jìn)行單槳試驗(yàn)，作為全機(jī)帶動力試驗(yàn)前的預(yù)備性風(fēng)洞試驗(yàn)，獲取正式試驗(yàn)時螺旋槳的轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)風(fēng)速、槳葉角及螺旋槳效率等數(shù)據(jù)。

圖7 風(fēng)洞螺旋槳滑流單槳試驗(yàn)圖

在驗(yàn)證了信號處理方法滿足試驗(yàn)要求后，利用單槳試驗(yàn)獲得的螺旋槳相關(guān)數(shù)據(jù)，組織開展全模試驗(yàn)，用來獲取螺旋槳滑流影響量數(shù)據(jù)[21]。

與國外風(fēng)洞使用相同模型獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

本項(xiàng)目在中國航空工業(yè)空氣動力研究院FL-9低速增壓風(fēng)洞首先進(jìn)行了基于旋轉(zhuǎn)軸天平的滑流單槳試驗(yàn)，采集旋轉(zhuǎn)軸天平動態(tài)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)處理方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)曲線更加平滑有序，便于對結(jié)果的分析。將天平載荷轉(zhuǎn)換到短艙固定軸系上，得到短艙軸系下的螺旋槳六分量載荷，用來分析滑流影響量[22]。

單槳試驗(yàn)后進(jìn)行了XX渦槳飛機(jī)全模帶動力試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)可以對旋轉(zhuǎn)軸天平的信號進(jìn)行調(diào)理、采集和處理，系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

試驗(yàn)過程中該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸天平動態(tài)信號與其他試驗(yàn)信號同步連續(xù)采集，不同采集卡可以同步觸發(fā)，天平信號未發(fā)現(xiàn)明顯的衰減或干擾。將試驗(yàn)結(jié)果與相同模型在F1風(fēng)洞獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.3 結(jié)果分析

圖9是FL-9風(fēng)洞和法國F1風(fēng)洞相同模型滑流試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對比，可以看出結(jié)果十分一致。經(jīng)過支架干擾修正、質(zhì)量流量修正、洞壁干擾修正后，可以準(zhǔn)確的得到模型受到的螺旋槳滑流影響量[23]，標(biāo)志著此次研制的旋轉(zhuǎn)軸天平信號處理系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰M足設(shè)計(jì)指標(biāo)和滑流試驗(yàn)的技術(shù)要求。

圖9 不同風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖

4 結(jié)束語

螺旋槳滑流風(fēng)洞試驗(yàn)是驗(yàn)證渦槳飛機(jī)氣動力設(shè)計(jì)的一項(xiàng)非常重要的特種試驗(yàn)，是準(zhǔn)確獲得螺旋槳滑流對飛機(jī)氣動布局和操穩(wěn)性能影響的最主要手段。旋轉(zhuǎn)軸天平信號處理系統(tǒng)的成功研制，大大提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)螺旋槳滑流試驗(yàn)提供了有力的技術(shù)保障。

1)通過新系統(tǒng)的地面調(diào)試和在型號試驗(yàn)中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著旋轉(zhuǎn)軸天平信號處理系統(tǒng)的研制項(xiàng)目取得了圓滿成功，系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡便，還兼具了一定的功能擴(kuò)展性。

2)新系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)。采集精度可以達(dá)到0.02%，采樣率200 k；進(jìn)行了前端信號調(diào)理，避免了信號衰減和受到干擾；通過時鐘背板觸發(fā)啟動采集，保證了與其他信號的采集同步性。

3)新系統(tǒng)開發(fā)了動態(tài)數(shù)據(jù)連續(xù)測量技術(shù)，提升了試驗(yàn)效率，試驗(yàn)效率是普通階梯測量的4倍，節(jié)約了高壓氣的使用量，降低了風(fēng)洞試驗(yàn)成本。

本系統(tǒng)的成功研制，將有效的縮短我國與國外先進(jìn)風(fēng)洞在試驗(yàn)水平上的差距，填補(bǔ)了在該項(xiàng)技術(shù)上的空白。目前世界上只有法國F1風(fēng)洞具備同等的試驗(yàn)?zāi)芰?，?biāo)志著我國螺旋槳動力模擬試驗(yàn)技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。試驗(yàn)系統(tǒng)提高了螺旋槳滑流試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，為我國渦槳飛機(jī)的研制提供有效的試驗(yàn)驗(yàn)證手段。同時本項(xiàng)目研制的試驗(yàn)設(shè)備也可作為螺旋槳性能測試和渦槳飛機(jī)噪聲測量的測試平臺，為高效率、低噪聲的先進(jìn)螺旋槳設(shè)計(jì)和渦槳飛機(jī)氣動噪聲設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。