高速风洞铰链力矩天平进展

2017-05-03潘华烨王树民苗磊

弹箭与制导学报 2017年4期

潘华烨, 王树民, 苗磊, 王超, 贾巍

(中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

0 引言

模型操纵面铰链力矩测力试验是飞行器设计阶段主要的风洞试验项目之一,其目的是为了预测飞行器各操纵面的气动力以及相对于转轴的铰链力矩的大小,为操纵装置选择以及舵面形状设计提供依据[1-2]。天平是铰链力矩测力试验成功的关键,通常模型操纵面都很薄,天平布置空间小,而且飞行器模型外形尺寸以及舵面的类型是多种多样的,因此用于测量舵面铰链力矩的天平形式及其与模型的连接方法也是各种各样的,必须针对具体的模型和试验条件设计专用的铰链力矩天平[3]。

高速风洞铰链力矩天平结构主要有两种形式:杆式结构和片式结构。

1 杆式铰链力矩天平

杆式天平具有结构紧凑,设计成熟度高,测量结果误差小,方便安装等优点,是铰链力矩试验最先考虑的天平类型,主要用于弹类舵以及部分飞机操纵面的气动力测量。杆式铰链力矩天平受安装方法限制,精准度比常规测力试验杆式天平略低,不确定度一般在5‰以内。杆式铰链力矩天平根据安装方式一般分为横轴式和纵轴式。

1.1 横轴式铰链力矩天平

杆式天平轴线与所测舵面的铰链轴重合时,容易实现舵面角度的变换,而且力矩参考点与舵面铰链轴重合,所测铰链力矩不用进行修正,是最常用也最简单的铰链力矩测量方法,一般将天平设计为3分量或者5分量,主要测量舵面的法向力Y、铰链力矩Mj和绕x轴的力矩Mx,舵偏角较大时,还需要测量舵面阻力x和绕y轴的弯矩My。图1给出了某铰链力矩试验的天平安装示意图,其中采用了两台五分量横轴式天平完成两个舵面的测量。

图2给出了4种天平轴线与铰链轴重合的横轴式天平。通常为避免坐标系转换,采用天平和舵面一起转动的方法,天平和舵面可以加工为一体(天平A、天平B和天平D),也可以分开加工(天平C)。当然也可以固定天平,只改变舵面角度进行试验,但是这种情况下需要对测量结果进行轴系转换。天平测力梁的设计与常规杆式天平类似,主要有分段式(天平A)和一体式(天平B)。还有一种单分量横轴式天平(天平D),通过使用轴承以及对称元件结构抵消掉除铰链力矩以外的力和力矩,以达到测量力矩的目的。

1 测量舵A;2 铰链力矩天平A;3 铜套A;4 变角块A;5 拉紧螺栓A;6 拉紧螺栓B;7 变角块B;8 铜套B;9 铰链力矩天平B;10 测量舵B图1 某铰链力矩试验天平安装示意图

图2 四种横轴式天平

有些操纵面转动轴靠近模型表面或者在模型以外(比如减速板等),天平轴不能与转动轴重合,这时会考虑天平轴与转动轴平行的方法[4-5],通常采用固定天平进行测力的方法,天平和舵面之间通过一个转接套连接,需要加工多个不同角度舵面以达到变换舵偏角的目的(见图3),图4给出了一台包含连接套的铰链力矩天平。若需要天平与舵面同时转动,在不同角度时,由于不同轴造成舵面面积变化,需要对舵面设计补偿片。

1.2 纵轴式铰链力矩天平

当不方便布置横轴式天平或者试验需要测量较多分量的时候,可以考虑将天平放置在飞行器空间较大的腔体内,天平轴一般与测量舵的铰链轴垂直以方便数据处理[6]。图5是一台常用的纵轴式天平,其左端与模型固连,右端上侧与舵面连接。纵轴式天平也会用于较大翼面的测量,图6给出了一种采用纵轴式天平测量机翼气动力的方法。

图3 天平与测量舵连接方法

图4 包含连接套的铰链力矩天平

纵轴式天平测量铰链力矩主要通过杆式天平的弯曲变形来获得,通常设计为6分量或者不测量天平轴向力的5分量。由于天平中心距离铰链轴有一段距离,铰链力矩的修正量一般大于测量量,特别在铰链力矩较小时误差较大,所以对于铰链力矩较小的试验,可以采用图7所示的组合式微量铰链力矩天平测量方案,将一台轮毂式单分量微量铰链力矩天平(见图8)和一台纵轴式天平组合在一起进行测量[7],就可以达到既能准确测量铰链力矩,又可以测量法向力等其他分量的目的,图9给出了一台一体加工的组合式铰链力矩天平图片。

图9 组合式铰链力矩天平

1.3 FL-31风洞铰链力矩天平隔热措施

FL-31风洞是一座暂冲式高超声速风洞,常用马赫数5～10,总温350～1 100 K,所用的天平需要考虑温度影响。为了在高温环境下测力,天平粘贴应变计采用了中温型自补偿应变计,其温度适用范围为-269～260 ℃,并在天平外部使用了3840环氧酚醛玻璃布保护罩用于隔热(见图10)。另外,模型在试验中进入流场采用投放方式,即在流场建立后,再将模型上升到流场中,模型在流场中时间较短(一般为90 s),而铰链力矩试验中天平布置在模型内部,天平在试验过程中的温度变化小于1 ℃,通过控制试验间隔时间,天平体最高温度不高于160 ℃。为提高天平性能,需要对电桥进行零点补偿和灵敏度补偿,但是校准一般在常温下进行,温度对天平准度的影响小于2.0‰。

图10 带隔热罩的铰链力矩天平

2 片式铰链力矩天平

一般的战斗机和大飞机风洞试验模型,正常缩比后机翼、垂尾等部件的后缘舵比较薄,无法安装杆式天平,通常采用片式天平对其铰链力矩及气动力进行测量。片式天平一般设计为三分量或者四分量,主要测量操纵面的法向力y和绕铰链轴的铰链力矩Mj,以及绕x轴的力矩Mx,四分量天平还可以测量舵面阻力。另外还有一种使用轴承的单分量铰链力矩天平,实际使用较少。

2.1 三分量片式天平

传统三分量片梁结构天平(图11)是使用最为广泛的片式铰链力矩天平,一端与模型安定面固定,另一端与舵面连接,试验时天平保持固定,不跟随舵面转动[8]。有时,天平与舵面连接端分开设计会导致连接强度不足,这时可以将天平跟舵面加工成一体,但是有多个舵面就需要加工多台天平(图12)。

图11 传统三分量铰链力矩天平

传统三分量片式天平设计简单,方便布置,但是有一些缺陷:由于天平直接固定在机翼等翼面上,试验中翼面会因为承受气动力而产生变形,天平固定端跟随产生变形,从而影响天平对舵面气动力的测量,通常需要在机翼上设计翼面变形修正单元(图13),并测出模型变形对天平各单元的影响系数,对天平数据进行修正;天平固定端、测量梁和悬臂端一般都位于翼型弦向,安装会造成模型刚度变化较大,而且由于舵面离天平固定端较远,试验中铰链轴偏移大,对模型缝隙的设计带来难度,还需要对测量结果进行修正[9];天平元件多为薄片梁结构,截面宽高比较大,受到不同位置载荷时,天平贴片处的应变呈现非线性,影响天平的精准度,该类天平的静校不确定度一般在1%～3%之间。

图12 三分量铰链力矩天平(带舵)

图13 翼面变形修正单元

对传统片梁结构天平进行了改进,将测量梁分割成若干个高度和宽度相近的矩形梁,并且在每个矩形梁上都贴上应变计(见图14),组成多个电桥,相当于多台矩形梁天平组合,可以有效提高天平性能,天平的不确定度可以控制在1%以内[10]。

图14 多柱梁型片式天平

2.2 四分量片式天平

为解决由于安装天平造成翼面刚度变弱较多的问题,并结合柱梁测力优势,设计出两侧固支的铰链力矩天平(见图15)。天平用一整块金属材料(00Ni18Co8Mo5TiAi)制成,天平中部设计连接段与测量舵连接,左右两悬臂端与模型安定面连接,测量敏感元件结构设计在中央连接段两侧,整个结构类似于单支撑双天平结构,与传统三分量片式天平相比,机翼横截面破坏明显减少(图16),刚度相对较好[11-12]。此外,天平的柱梁一般与舵面阻力方向垂直,只要在柱梁侧面贴片就可以达到测量阻力的目的,这对于大攻角舵面的测量结果进行准确修正是非常有利的。

图15 两侧固支的四分量铰链力矩天平

图16 四分量天平与三分量天平安装对比

但是采用天平两侧固支的方法依然需要修正机翼变形对天平的影响,于是设计了中间固定的四分量天平(见图17),将天平与模型安定面的连接端放到天平中间位置,两侧用来与测量舵连接,很好的解决了这一问题,安装示意图如图18所示。粘贴方法与两侧固支的四分量铰链力矩天平相同,图22给出了粘贴及组桥方法,在天平每个矩形梁上都粘贴了应变计,组成多个桥路并通过组合方法进行测力,该方法有利于增大输出。

四分量片式天平均采用柱梁结构进行测量,精准度较高,通常阻力的校准不确定度小于2%,其他单元校准不确定度小于0.5%。

2.3 单分量片式天平

有时,比如在模型翼尖部分过于薄弱的情况下,难以布置上面所介绍的铰链力矩天平,则会用一种使用轴承的单分量天平。单分量天平及其与舵面的连接形式如图20所示,将测量舵穿入天平轴孔后,通过角度仪或者固定角度楔调整好角度,再拧紧抱紧螺钉就可以将测量舵和天平固连成一个整体,舵面通过3个轴承以“门铰”的方式安装到模型机翼上,这样舵面只有一个绕舵轴旋转的自由度,从而天平只感受到舵面的铰链力矩。由于单分量天平安装位置与测量舵后面的薄弱位置错开,所以比较方便布置。

图17 中间固支的四分量铰链力矩天平

图18 中间固定的四分量铰链力矩天平安装示意图

Y=M1+M2+M3+M4,Mz=M1+M2-M3-M4,MJ=M1-M2+M3-M4,X=M5图19 中间固定的四分量铰链力矩天平安装示意图

单分量天平转轴与铰链轴重合,不存在试验中转轴变化需要修正的问题,而且由于测量舵基本可以相对于天平任意转动,所以可以只用一个测量舵和一台天平就达到多个舵偏角测量的目的。但是单分量天平在安装时需要在翼尖处放置轴承,一般需要破坏模型外形,会对试验结果产生一定影响,另外无法获得气动力大小及压心位置。天平校准采用多点单元校准并进行拟合的方法,校准不确定度约为0.5%。

图20 单分量天平

3 静态校准

铰链力矩天平校准主要在高速所的BCL-3500和BCL-10000静态校准架上完成,这两个校准架都是两自由度准体轴系设计,需要通过人工搬运砝码的方式进行校准(图21～图22)。天平校准坐标系一般采用测量舵坐标系,校准中心要尽可能设置在铰链轴上[13]。校准完成后,一般需要将天平及舵面安装至模型进行检验,除了检查天平的准度外,还需要根据风洞启动(关闭)时的最大冲击载荷检验缝隙是否足够以及各部件连接的可靠度。