全尺寸内埋武器舱舱门铰链力矩测量方法

彭 超，王玉花，汪多炜，谭显慧

（中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000）

0 引 言

随着F22、F35等第四代战斗机的出现，人们普遍认识到机载武器内埋的重要性，一方面武器内埋能够使作战飞机的外形更加简洁，减少敌方雷达波的反射；另一方面由于阻力和结构振动等原因，外挂武器的飞机难以作长时间的超声速巡航［1－2］。为了满足隐身和超声速巡航的需要，新一代战斗机大都采用内埋式武器装载方式［3］。当要求进行武器发射时，武器内埋系统需要完成舱门迅速开启、武器出舱与分离投放、发射装置收回、舱门快速关闭等动作［4－6］。因此，在舱门研制过程中，为了保证飞机具有良好的机动性和跟随性，准确测量舱门上承受的铰链力矩显得尤为重要，以便为研制舱门作动器及相关控制系统提供依据［7－8］。

目前，在风洞试验中，较为成熟的铰链力矩测量方法有全模型试验方法、半模型试验方法及测压法等。前2种方法都是根据飞行器的特点及测量要求设计专用的铰链力矩天平安装在飞行器上，通过风洞试验测量出作用在飞行器操纵面或全动翼面模型上的铰链力矩。测压法则是在模型的表面加工测压孔，通过积分求得铰链力矩［9－10］。全尺寸内埋武器弹舱使用的是1∶1的真实弹舱模型，为了确保内埋弹舱及各个传动部件的真实性，一方面不允许在模型表面加工测压孔来测量铰链力矩，另一方面也不可能用在模型中安装专用铰链力矩天平的方法来测量作用在舱门上的铰链力矩，只能利用现有舱门上零部件实现对内埋武器舱门的铰链力矩的测量。本文在分析内埋武器弹舱舱门的结构特点及受力情况的基础上，运用风洞应变天平的测量原理，实现内埋武器弹舱舱门铰链力矩的测量。

1 武器舱门的结构及受载特点

1.1 武器舱门的结构特点

武器舱门由主舱门（大舱门）、辅助舱门（小舱门）和随动舱门构成。图1所示的是F22武器舱［8］。

图1 F－22的内埋武器舱Fig.1 Internal weapon cavity on F－22

舱门打开与关闭动作是通过作动器的旋转来实现的，作动器的活动耳片与大舱门短梁连接，作动器的固定耳片与机身支座连接，大舱门与小舱门通过转轴连接，小舱门通过拉杆固定在弹舱内壁。

1.2 武器舱门受载特点

武器舱门的力学要件是由大舱门、小舱门、舱内壁以及拉杆形成四连杆机构，实现舱门打开与关闭动作过程中力的传递。在飞机飞行或试验过程中，武器舱门受载特点如下：

（1）武器舱舱门主要承受气动及惯性载荷作用，舱门所受到的气动载荷力矩由与旋转作动器连接的舱门短梁传递；

（2）舱门打开状态，气动载荷及惯性载荷与作动器把持力矩、机身接头支座反力平衡；

（3）舱门上承受的铰链力矩通过作动器的活动耳片传递到作动器上，而作动器驱动武器舱门的打开和关闭的动作也是通过作动器的活动耳片来实现的。

因此，作动器的活动耳片是舱门铰链力矩测量的关键部件。

2 舱门铰链力矩测量原理

考虑到操作的方便性，选择在作动器的活动耳片外侧表面粘贴A、B 2组应变计，并组成半桥工作模式，如图2所示。

图2 应变计粘贴位置及接线示意图Fig.2 Sketch of strain gauge position and wiring

图中，R为外接精密标准电阻，P＋为电源正极，P－为电源负极，S＋为信号正。

如果应变计A、B位置完全对称，当施加力矩载荷时，电压信号叠加将自动抵消由于惯性力引起的电压输出，而铰链力矩信号输出双倍应变计A（或B）的电压信号；当对耳片施加力，电压信号叠加将自动抵消由于力矩引起的电压输出，而力信号输出双倍应变计A（或B）的电压信号。否则，在工作公式中作为干扰加以修正，消除力对铰链力矩测量的影响。

3 铰链力矩测量技术指标

风洞试验拟在2.4m×2.4m跨声速风洞中进行，试验Ma＝0.3～1.4，试验迎角α＝0°，舱门角度0°～128°。铰链力矩载荷及测量要求如表1所示。

表1 铰链力矩载荷及测量误差指标Table 1 Loads and measurement error evaluation of hinge moment

4 铰链力矩的校准方法

武器舱门铰链力矩的校准按下列方法进行：无舱门时，对每个耳片单独进行力及力矩校准，用叠加法、均值法求取铰链力矩公式；舱门安装好后，进行单点校准及多点同时施加不同载荷的综合校准，用迭代法验证铰链力矩公式的可靠性［9－11］。

为了准确测量舱门的铰链力矩，校准时必须保持校准状态与试验状态的一致，为此，需设计加工模拟短梁和加载装置如图3所示。

图3 校准示意图Fig.3 Sketch of calibration

模拟短梁与武器舱舱门短梁完全一致，确保在安装舱门前后，力及力矩的作用点保持不变；加载装置上安装有7个滑轮组，其中每个滑轮组由3个滑轮组成，上面的2个滑轮为力加载滑轮，中间的1个滑轮为力矩加载滑轮，7组滑轮之间的距离与大舱门上的短梁之间的距离保持一致，确保了施加力及力矩方向的正确性；同时既可以实现单独对模拟短梁实施力或力矩加载，又可以实现对所有短梁同时施加不同载荷；力F作用点为大舱门、小舱门的转轴位置，这样就保证耳片在有无舱门时的受力状态一致。

4.1 无舱门时，铰链力矩的校准

无舱门时，将模拟短梁安装在作动器的活动耳片上，分别对每个耳片单独进行力及力矩的校准，加载方式如图3所示。图3中模拟短梁的竖直面为舱门90°时作动器耳片所处的位置，施加F1时进行力加载，施加F2时进行力矩加载。

4.1.1 力加载及数据处理方法

在模拟短梁上分别通过加载装置上面的2个滑轮对各个耳片单独施加力载荷（n组等阶梯载荷加载），记录各电桥的输出电压信号，用叠加法、均值法计算出力的主项系数及力对力矩的干扰系数；

式中：i＝1，2，…，n。ΔUAi、ΔUBi为应变计A、B组成电桥第i阶梯的末读数与初读数之差，mV；UAi、UA0为应变计A组成电桥的第i阶梯的末读数及初读数，mV；UBi、ΔUB0为应变计B组成电桥的第i阶梯的末读数及初读数，mV；KF为力的主项系数，kg／mV；KFM为力对力矩的干扰系数，mV／kg；Fi为施加力的阶梯载荷值，kg；n为施加力的阶梯数。

4.1.2 力矩加载及数据处理方法

式中：KM为力矩的主项系数，kg·m／mV；KMF为力矩对力的干扰系数，mV／kg·m；Mi为施加力矩的阶梯载荷值，kg·m；其余各参数的定义、单位同公式（1）～（4）。

4.1.3 铰链力矩公式

为了得到较为准确的测量结果，需要在铰链力矩公式中加入力对力矩修正项，通过迭代求得模型承受的铰链力矩，具体的铰链力矩工作公式如下：

式中：ΔUA、ΔUB为在载荷作用下，应变计 A、B组成电桥末读数与初读数之差，mV；其余各参数的定义，单位同公式（1）～（6）。

4.2 有舱门时，铰链力矩的校准

当武器舱门安装好后，武器舱舱门及舱门上的7根短梁、7组耳片和拉杆就构成了一个整体（四连杆机构），无论是在各个转轴处单独施加载荷或在多个转轴处同时施加不同载荷，所有耳片都产生变形 。

4.2.1 铰链力矩测量值的计算方法

当旋转作动器使大舱门处于不同的开度α1时，分别通过各转轴对大舱门单独施加载荷或同时施加不同载荷，如图4所示。记录各电桥的输出电压信号。

根据公式（7）、（8）用迭代法分别计算出各个耳片上感受的力Fi和力矩Mi（i＝1，2，……，7），从而得出武器舱门承受的力和铰链力矩：

图4 载荷的施加与载荷分解示意图Fig.4 Sketch of the exertion and decomposition of loading

4.2.2 铰链力矩理论值的计算方法

手工书籍的创作特色就是其形态在很大程度上体现了设计者的个性，它无需考虑工艺上的制约，只需要构思并将其创作出来。例如，以“轮回”为主题，要求学生在书籍制作中表现出生命的循环新生。个性化手工书籍的制作者首先会在材质上力求环保，在内容上体现“轮回”的概念，同时引导学生在制作创意上避免与传统书籍发生雷同，更追求书籍意境化和艺术性的表现方式。其中，书籍制作的纸张新旧、糙滑以及薄厚等都需要提前考虑，并通过最原始的手工方式制作，怀着崇敬的心情完成整本书籍的制作仪式。

施加在转轴上的标准载荷F的分解关系如图4所示。

施加的标准载荷F通过下列公式分解：

式中：F为施加的标准载荷，kg；F1、F2为F在平行、垂直大舱门方向上的分量，kg；α1为舱门的开度，°；α2为施力方向与水平方向的夹角，°；α为F2与施力方向的夹角，°。

对大舱门而言，仅垂直大舱门分量F2产生铰链力矩，标准铰链力矩载荷为：

式中：L为参考力臂，大小舱门间的转轴到作动器轴线的距离（0.6m），m。

4.2.3 铰链力矩测量误差的计算

计算测得的铰链力矩的误差［10－12］：

单点加载的测量误差如表2所示，所有转轴处同时施加不同载荷时的测量误差如表3所示。为了简化表格，表中仅给出所加的力（kg），力矩按公式（12）～（13）计算得出，且表3给出的是总的载荷（kg）。

从表2和3可以看出：无论是单点加载还是多点同时加载，随着舱门开度和所加载荷的增大，测量误差减少，符合传感器或天平等仪器的测量规律。小载荷误差偏大的主要原因：一方面，由于使用的是实物模型，各连接部分存在间隙；另一方面，在误差计算式标准载荷采用为所加载荷的标准力矩，而不是满量程的标准力矩。

5 风洞试验结果

试验过程中在不同马赫数均进行了固定舱门开度和舱门动态开闭试验，试验结果表明：在不同的试验状态下，舱门开度越大，铰链力矩的测量结果越接近预测值（计算结果），满足了型号测量要求。图5给出Ma＝0.85时各种试验状态的铰链力矩的测量结果。

表2 单点加载时铰链力矩测量误差（%）Table 2 Measurement error（%）of hinge moment at single point calibration

表3 综合加载时铰链力矩测量误差（%）Table 3 Measurement error（%）of hinge moment at multi－point calibration

图5 铰链力矩测量结果Fig.5 Measurement results of the hinge

6 结 论

（1）专用的模拟短梁和加载装置，确保了校准状态和试验状态的一致。模拟短梁确保在安装舱门前后，力及力矩的作用点保持不变；加载装置各滑轮滑轮组之间的距离与大舱门上的短梁之间的距离保持一致，确保了施加力及力矩方向的正确性；

（2）半桥工作模式满足了铰链力矩的测量要求；

（3）全尺寸内埋武器舱舱门铰链力矩的校准方法及数据处理方法是完全可行的，实现了无天平参与的铰链力矩测力试验，为类似结构的测力试验提供了新的思路。

［1］吴继飞，徐来武，范召林，等.内埋弹舱舱门气动特性研究［C］／／第三届近代实验空气动力学会议论文集，CARS－2011－354，2011.Wu Jifei，Xu Laiwu，Fan Zhaolin，et al.Investigation on aerodynamic characteristics of internal bay＇s door［C］／／Proceedings of the 3rd Mordern Experimental Areodynamics Conference，CARS－2011－354，2011.

［2］黄存栋，徐来武，吴继飞，等.FL－24风洞武器舱门运动机构设计［C］／／第四届近代实验空气动力学会议论文集，CARS－2013－091，2013.Huang Cundong，Xu Laiwu，Wu Jifei，et al.The motion mechanism design of the interior weapon cabin＇s door in FL－24wind tunnel［C］／／Proceedings of the 3rd Mordern Experimental Areodynamics Conference，CARS－2013－091，2013.

［3］王立强，王学占.载机内埋武器舱盖开启过程的非定常复杂流场数值仿真［C］／／第三届近代实验空气动力学会议论文集，CARS－2011－361，2011.Wang Liqiang，Wang Xuezhan.Simulation of the unsteady and complicated fluid field coming from the opening of the interior weapon cabin＇s door of aircraft［C］／／Proceedings of the 3rd Mordern Experimental Areodynamics Conference，CARS－2011－361，2011.

［4］吴继飞，罗新福，范召林.内埋式弹舱流场特性及武器分离特性改进措施［J］.航空学报，2009，30（10）：1840－1845.Wu Jifei，Luo Xinfu，FAN Zhaolin.Invesigation on internal weapon separation characteristics and flow control methods［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2229，30（10）：1840－1845.

［5］Cattafes ta L，Williams D R，Row ley C W，et al.Review of active control of flow－induced cavity resonance［R］.AIAA－2003－3567，2003.

［6］Smith B R，Welterlen T J，Maines B H，et al.Weapons bay acoustic suppression from rod s poilers［R］.AIAA－2002－662，2002.

［7］王发祥.高速风洞试验［M］.北京：国防工业出版社，2003：242－248.Wang Faxiang.High speed wind tunnel test［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2003：242－248.

［8］王明，但聃，陈丽.飞机舱门类部件气动载荷风洞试验研究［J］.实验流体力学，2012，26（4）：19－21.Wang Ming，Dan Dan，Chen Li.Research on aerodynamic load of aircraft door components in wind tunnel［J］.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2012，26（4）：19－21.

［9］恽起麟.试验空气动力学［M］.北京：国防工业出版社，1991：271－273.Yun Qilin.Experimental aerodynamics［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1991：271－273.

［10］贺德馨.风洞天平［M］.北京：国防工业出版社，2001：214－219，328－359.He Dexin.Wind tunnel balance［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2001：214－219，328－359.

［11］中华人民共和国国家军用标准.2244A－2011风洞应变天平规范［S］.National Military Standard of the People＇s Republic of China.2244A－2011，Specification for Wind Tunnel Strain Gage Balance［S］.

［12］费业泰.误差理论与数据处理［M］.第6版.北京：机械工业出版社，2010.Fei Yetai.Error Theory and data processing［M］.6th ed.Beijing：China Machine Press，2010.