Φ3.2m风洞活动地板系统研制

李征初，杨 炯，梁 鉴，李金勇

（中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川 绵阳 621000）

Φ3.2m风洞活动地板系统研制

李征初，杨 炯，梁 鉴，李金勇

（中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，四川 绵阳 621000）

目前在风洞中通常采用固定地板和活动地板两种模拟方法开展飞行器地面效应研究，确定地面效应影响量大小。采用固定地板模拟地面时，由于存在地板边界层，不能真实模拟飞机近地飞行状况。采用活动地板模拟地面时，由于活动带运行速度和方向与来流一致，在活动地板表面不存在边界层，可以真实模拟飞机近地飞行状况，提高地面效应试验数据的精准度。介绍了Φ3.2m风洞活动地板系统的研制情况，对活动地板系统的组成、结构形式、主要技术指标等作了简要介绍。YF－16模型试验结果表明：Φ3.2m风洞活动地板试验系统的性能指标达到了设计要求，活动带最大运行速度为60m／s；活动地板和固定地板两种模拟方法获得的地面效应试验结果存在较大差别，差别大小随地板高度和飞机姿态角变化而变化。

飞行器；地面效应；活动地板；风洞

0 引 言

地面效应是飞机或其它飞行器近地飞行、起飞着陆时必然遇到的现象。对于一般飞机，地面效应使飞机的升力线斜率增加、诱导阻力系数减小，纵向安定度增加。飞机气动特性的上述改变直接影响飞机的飞行特性，使得飞行器的气动力与高空飞行状态相比发生很大变化。升力增加、诱导阻力减小的这种有利地效对小展弦比或细长翼飞机更为明显，地面效应的影响有时也会成为不利因素，对有高升力装置的一些机种就是如此。因此，弄清飞行器的地面效应对飞行器的研制有重要意义。

活动地板装置主要用于飞行器地面效应的研究和测量。利用活动地板进行地面效应试验时，由于活动带的速度与风洞来流速度相等，方向相同，活动带上便不会产生边界层，可以真实模拟飞行器近地飞行情况。特别是对垂直、短距起降飞机，飞机的下喷气流和地面相互作用产生高升力，从而提供飞机所需的气动力，但用固定地板进行地面效应试验时，下喷气流与地板边界层相互作用使地面涡向前移动，并发生分离，严重影响风洞试验结果，而利用活动地板就不存在这种问题。利用活动地板系统进行飞行器地面效应研究有很高的使用价值，有利于开展型号试验和高升力机种的研究。目前，活动地板装置已在欧、美、俄等发达国家的大型航空风洞得到广泛使用，在飞行器地面效应试验方面取得了良好效果；国内还没有一座航空风洞建设和使用活动地板系统。为了提高飞行器地面效应风洞试验水平，气动中心低速所在Φ 3.2m风洞成功研制了一套活动地板系统，并采用YF－16标模开展了飞行器地面效应试验影响研究。

1 系统设计要求

活动地板装置主要用在Φ3.2m风洞的开口试验段，根据风洞试验段尺寸和型号试验需求，确定了活动地板系统的主要工况要求和主要技术指标。

1.1 工况要求

（1）系统工作时活动地板完全处于风洞流场中，因此在满足结构强度和刚度要求的情况下，装置外形符合流线型要求，系统的迎风面积尽可能小；（2）系统固有频率达8Hz以上；（3）系统具有无级调速、自动纠偏、活动带吸附、状态检测、安全监控等功能；（4）系统配备自动升降平台，可自动调节活动地板在试验段中的高度位置；（5）具备在突然掉电情况下保证装置运行安全的保护功能；（6）所有进出活动地板装置的管线必须采取防护措施，避免直接暴露在流场中。

1.2 主要技术指标

（1）活动地板装置的最大尺寸（长×宽×高）3510 mm×3780mm×2600mm；（2）活动带工作面长度2760mm；（3）活动带工作面宽度2400mm；（4）活动带运行框厚度240mm；（5）活动带速度范围5～60m／s；（6）活动带速度误差±0.5%；（7）活动带的上下跳动≤3mm；（8）活动带的张紧、纠偏调节范围0～120mm；（9）带轮直径236mm；（10）升降平台行程范围0～800mm。

2 活动地板装置设计

活动地板装置包括活动地板运行框、升降平台和前后缘等部分，如图1所示。

图1 活动地板总体构成Fig.1 Layout of moving belt floor

2.1 活动地板运行框设计

活动地板运行框是活动地板的主体，由活动带传动系统、活动带纠偏张紧系统、活动带支撑及吸附系统、系统支撑框架等部分组成。如图2所示。

图2 活动地板运行框Fig.2 Operational frame of moving belt floor

（1）活动带传动系统；由活动带、主动带轮、从动带轮、主电机等组成，主电机产生运动的动力，通过传动件驱动主动带轮。活动带张紧在主、从带轮之间，在主动带轮的驱动下运动。

（2）活动带纠偏张紧系统；系统采用双轮张紧及纠偏调节方式，在从动轮端配置纠偏张紧机构，通过调节主、从动轮之间的距离实现活动带张紧，通过调节主、从动轮两端距离实现活动带纠偏控制。

（3）活动带支撑及吸附系统；活动带上部为活动地板工作面，为了保证工作表面的平整，在活动带下方配置平整台面以支撑活动带，此外，为防止流场中模型与活动带间负压引起活动带脱离支撑台面，在台面下安装了吸附系统，以保证活动带与台面的可靠贴合。

（4）系统支撑框架；系统支撑框架是运行框的基础件，将运行框上各部分集成为一个整体。

2.2 升降平台设计

升降平台由底框、4套升降杆和中间连接杆组成，结构如图3所示。

图3 升降平台Fig.3 Lifting plateform

为了实现运行框整体平稳升降及运行框水平调节，升降平台采用4杆支撑方式，在运行框4个角上分别布置升降柱，采用伺服电机为驱动源，通过4个升降柱的同步驱动，实现运行框的整体升降运动；通过对单根升降柱的运动控制，实现运行框的水平调节。升降柱的升降运动通过滑动丝杆螺母副实现，利用滑动丝杆良好的自锁性能，实现在升降行程中任意位置可靠定位。

升降平台与活动地板运行框之间连接处安装弹性支撑，在保证支撑刚性的前提下，提高系统的抗振性，同时可对在升降台高度调整过程中可能出现的微小不同步进行缓冲。

活动地板运行框中安装的主电机、纠偏调整电机的动力及信号线、冷却水进出管线以及检测信号线等，分别沿与运行框相连的升降杆上的导线杆输出至流场外，在导线杆出口处固接，由架车和多功能平台中心的走线孔引出。整个管线全部封闭，不直接暴露在风洞流场中。

2.3 前后缘设计

（1）前缘设计；前缘在活动地板工作时需承受气动载荷，由于前缘横向尺寸较大，两端支撑间距较大，为避免前缘受气动载荷作用时产生变形、振动，在其内部横向和纵向上布置筋板以提高前缘整体刚度和抗振性。如图4所示。前缘上表面开设了一定数量的吸气孔，以吸除前缘上表面的边界层。

图4 前缘结构图Fig.4 Structural pattern of leading edge

（2）后缘设计；后缘设计相对较简单，外形能整流即可；为提高后缘刚度，在后缘内部布置钢管。

3 电气控制系统设计

电气控制系统分为状态检测系统、控制系统、驱动及执行系统等3部分，如图5所示。

3.1 状态检测系统

状态检测系统包括嵌入式计算机、PLC的输入模块。嵌入式计算机安装在运行框内部，对设备运行过程中各模拟量及带跳信号进行采集及预处理，向上位机提供所需设备状态信号；PLC的输入模块主要面对设备中各数字量信号以及作为控制依据的模拟量（带偏、活动带张力等）进行检测，向上位机提供所需设备状态信号，并根据设备状态作相应的控制。状态检测系统所检测的信号主要包括带轮轴承振动信号、带轮轴承温度信号、主电机轴承温度信号、活动带温度信号、运行框倾斜度信号、带轮转速信号和活动带跳动信号等。

图5 电气控制系统Fig.5 Electrical control system

3.2 控制系统

控制系统由上位机、现场调试人机界面、PLC组成，以上位机为上层控制核心；现场调试人机界面作为系统调试时上位机控制功能的延伸，在现场调试过程中对设备运行状态进行监控；PLC作为底层控制系统，接受上位机指令及现场状态信息对驱动及执行系统进行控制。上位机具有两种控制模式：自动运行模式和手动调整模式。主要对活动带速度、活动带偏移及张紧、活动带跳动、升降平台高度位置、系统掉电保护等进行控制和调节。

3.3 驱动及执行系统

驱动及执行系统由各执行件（主电机、伺服电机、辅助系统动力源等）及其驱动装置组成，根据PLC的控制信号执行相应的动作。

4 引导性试验典型结果

为了考核活动地板系统的性能及其与风洞其它设备组合使用时的整体协调性，采用YF－16（1：9）标模进行了一期引导性试验，获取了活动地板系统对风洞落差系数的影响、活动带运行对边界层消除情况以及YF－16飞机模型在不同地板状态下偏襟翼25°时的地面效应试验数据。

4.1 活动地板系统对风洞落差系数的影响

表1给出了活动带静止不动时不同地板高度和不同试验风速下风洞的落差系数。在试验风速范围内，随活动地板逐步偏离试验段中心线，风洞的落差系数逐步减小，活动地板越靠近风洞中心，对试验段流场影响越大；地板高度为h1、h3、h4和h5时，风洞落差系数分别为1.342、1.337、1.328和1.304。在地板高度h1，随试验风速增大，风洞落差系数有增大趋势。在其它地板高度，随试验风速增大，风洞落差系数无明显变化。另外，试验时也研究了活动带运行对风洞落差系数的影响，测量结果表明活动带运行对风洞落差系数影响不大，较活动带静止不动时略有增大，量值在1%以内。

表1 地板状态风洞落差系数结果Table 1 Results of head coefficients

4.2 活动带运行时边界层的消除情况

表2给出了活动地带静止不动时不同试验风速下的地板边界层厚度。在同一测量位置，在试验风速范围内，地板边界层厚度为一定值。地板边界层厚度沿气流方向增长较快，从前往后，地板边界层厚度逐步增大，在X＝1070、310、－821处（坐标原点位于试验段中心，X指向来流方向），地板边界层厚度分别为11、21、43mm。试验研究了活动带运行对地板边界层的消除情况，考虑到活动地板运行的安全性，测量耙不能太靠近活动带，当测量耙最下端测压管离地板上表面10mm时，在测量位置X3＝－821mm处，当活动带运行速度与试验风速同为50m／s时，没有检测到地板上表面存在边界层。

表2 边界层测量结果Table 2 Results of boundary layer thickness

4.3 地面效应随地板高度的变化规律

图6给出了试验风速V＝50m／s、活动带运行速度Vb＝50m／s时，在不同地板高度下YF－16飞机模型（δf＝25°）升力和俯仰力矩特性随飞机迎角变化曲线。地面效应对飞机的纵向特性影响较大，地面效应使得飞机升力增大、升力线斜率增大、飞机的纵向静稳定性增强。飞机与地面越接近，地面效应影响效果越强。另外，同一地板高度，地面效应对飞机的影响随飞机迎角变化而变化。

4.4 活动地板与固定地板对地面效应试验结果的影响

图7给出了YF－16飞机模型（δf＝25°）试验风速V＝50m／s，活动地板（活动带运行速度Vb＝50m／s）与固定地板两种模拟方法获得的纵向特性的差量值曲线，表3给出了对应状态纵向特性参数的差量值。

图6 不同地板高度下纵向特性曲线Fig.6 Longitudinal characteristics at different floor heights

图7 活动地板与固定地板差量随地板高度变化曲线Fig.7 Life and pitching moment differences between fixed and moving belt floor

活动地板和固定地板两种模拟方法获得的地面效应试验结果有较大差别。与固定地板试验结果相比，活动地板试验结果的升力系数减小，升力线斜率增大，阻力系数增大，俯仰力矩增大，纵向静稳定性增强；在试验的地板高度范围，活动地板与固定地板的差量为 ΔCLα＝0.001～0.003，ΔCL＝ －0.014～－0.028，ΔCD＝0.003～0.006，＝－0.008～－0.013，ΔCm＝0.008～0.011（α＝0°时）。活动地板和固定地板两种模拟方法获得地面效应试验结果的差量随地板高度和飞机迎角的变化而变化。说明：Δ＝活动地板－固定地板

表3 纵向特性参数的差量值（δf＝25°）Table 3 Differences of longitudinal characteristics

5 结 论

通过对Φ3.2米风洞活动地板装置的设计、电气控制系统的开发、YF－16模型试验验证，得出以下结论：

（1）Φ3.2米风洞活动地板试验系统的性能指标达到了设计要求，活动带最大运行速度为60m／s。

（2）活动地板在试验段的安装高度对风洞落差系数有明显影响，同一地板高度不同试验风速下，风洞落差系数无明显变化。

（3）活动带不运行时，地板边界层厚度沿气流方向增长较快；当活动带运行速度与试验风速相同时，可以完全消除地板边界层。

（4）活动地板和固定地板两种模拟方法获得的地面效应试验结果存在较大差异，且差量随地板高度和飞机迎角的变化而变化。

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李征初（1965－），男，湖南常德人，研究员。研究方向：低速空气动力学。通讯地址：中国空气动力研究与发展中心（621000）；E－mail：lzc61271＠126.com。

Development of moving belt floor inΦ3.2mwind tunnel

LI Zheng－chu1，2，YANG Jiong1，LIANG Jian1，LI Jin－yong1
（1.Low Speed Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research ＆ Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang Sichuan 621000，China）

In wind tunnel tests，the quantification of aircraft＇s ground effects is generally obtained through both fixed floor and moving belt floor simulations.Due to the effect of boundary layer，it is impossible to simulate the real near－ground flights with fixed floor.When using moving belt floor，no boundary layer exists on the surface of the belt floor since the velocity of moving belt is the same as the oncoming wind.Therefore，moving belt floor can simulate the real near－ground fights，improving the test precision of ground effects.This paper describes the development of the moving belt floor inФ3.2mwind tunnel，including the system frameworks and main technical specifications.The test results of YF－16 model have shown that the maximum speed of the moving belt is 60m／s and the moving belt floor has achieved the design requirements.A visible difference can be identified between these two simulations and the difference changes with the variation of heights and flight angles.

aircraft；ground effect；moving belt floor；wind tunnel

V211.72

A

1672－9897（2011）04－0089－05

2010－12－27；

2011－05－08