基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究

贾 巍, 刘维亮, 赵忠良, 苗 磊, 谢 斌, 米 鹏, 杨洪胜, 王树民, 陈 竹

(中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究

贾 巍*, 刘维亮, 赵忠良, 苗 磊, 谢 斌, 米 鹏, 杨洪胜, 王树民, 陈 竹

(中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000)

传统的大展弦比机翼片式铰链力矩天平在应用过程中存在测量精准度不高的问题。该问题由机翼受载变形引发的附加干扰信号产生。针对此现象，为提高大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩风洞试验数据的精度与准度，探索了一种“利用一组信号修正天平信号”的外置电桥修正法，详细阐述了其工作原理以及方法步骤。以某型号风洞试验为例，通过在机翼上布置外置电桥，将修正后测量结果与未修正的测量结果进行对比。由对比结果可知：未经信号修正的天平测量误差最高达到54%，将信号修正后其测量误差降低为6%，天平测量准度有所提高。本研究为大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩天平的应用提供新思路。

片式铰链力矩天平；大展弦比；外置电桥修正法；机翼变形；干扰信号

0 引 言

随着国家对民机、军机以及无人机发展的重视，大展弦比飞机风洞试验任务不断增加，对风洞试验数据精度与准度的要求也越来越高[1-2]。从实际情况看，这类风洞试验模型有着大展弦比、机翼与操纵舵面长而薄、气动载荷大的共同特点，其突出问题是难以确保消除安装在机翼上的片式铰链力矩天平的附加非测量信号。该问题是由机翼受载变形导致天平非测量连接端变形造成，直接影响着风洞试验数据的精准度[3]。

长期以来，探索大展弦比飞机机翼的变形对片式铰链力矩天平测量精、准度的影响问题，在国内外的天平领域一直未能得到满意的解决，尚不能满足设计单位的技术需求[3]。这也是制约大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩试验技术发展的“瓶颈”问题，必须发展相应的试验技术。

目前，国内外关于“机翼受载变形引发天平附加非测量信号”问题的主要研究方向有2个：一是半模试验技术、放大模型缩比，但该方法不能满足模型在侧滑姿态下的试验条件；二是全模局部加厚，但此方法模型整体的缩放比例不一，即改变了模型外形，导致气动特性复杂化，难以对风洞试验数据进行合理修正[4]。因此，采用上述2种方式来提高机翼以及连接接口刚度在实际的铰链力矩风洞试验中均无法解决“接口变形引起附加干扰信号”这一根本性问题。而作者首次提出的外置电桥修正法作为一种新型的信号修正方法与前人相比能够在模拟大展弦比飞机翼面形状的前提下，最大限度地减小机翼变形对片式铰链力矩天平测量准度的影响。如何正确运用外置电桥信号来修正天平输出信号是本次研究工作的关键技术环节。为此，开展了基于外置电桥修正法的片式铰链力矩天平应用技术研究工作，其结果已经成功应用于型号试验中。

1 外置电桥修正法

所谓“外置电桥修正方法”，就是利用引入的外来电桥信号来修正天平电桥信号，这是一种立足于大展弦比飞机模型铰链力矩风洞试验的新型信号修正方法。提出该修正方法的原因在于该类飞机机翼及连接接口刚度不够对天平输出信号存在影响，外置电桥位于大展弦比飞机模型机翼的特殊位置，它对片式铰链力矩天平各分量的测量起补充修正作用。

1.1 基本构成

这种信号修正方法包括3个基本要素：一是飞机模型，二是片式铰链力矩天平，三是外置电桥测量元件。具体如图1所示。

在以上3个基本要素中，后两者是关键构成要素，在整个信号修正过程中起着决定作用：主信号是片式铰链力矩天平各分量的电桥信号，次要信号是外置电桥的电桥信号。主信号是铰链力矩风洞试验所需的信号，但机翼变形现象的出现，却将一组降低风洞试验精准度的干扰信号掺杂到其中，因此，必须经过外置电桥的次要信号采用数学方法对其进行修正。3个关键因素相辅相成，构成了片式铰链力矩天平外置电桥信号修正方法。

1.2 工作原理

外置电桥修正法的工作原理是：通过“安装”在机翼上的外置电桥，与原有天平重新构成一台“新”的复合天平；利用机翼电桥的输出信号来修正天平各个测量元件的输出信号，将修正后的信号作为天平信号进行相关试验参数计算。

1.3 关键技术点分析

(1) 大展弦比飞机机翼受气动载荷作用沿展向各个截面的变形不一致，外置电桥测量元件的结构、位置的确定是关键，需模拟机翼、外置电桥测量元件一体化受载的工况，通过进行有限元分析计算获得。确定其具体位置有2个基本原则：一是外置电桥测量元件受载后的变形应尽可能地接近片式天平固定端连接区域的变形；二是外置电桥测量元件受载后的电信号输出与片式天平受载情况下的主信号输出有相关性。 (2) 外置电桥作为变形接口与铰链力矩天平的“联系手段”，找出外置电桥输出信号与铰链力矩天平输出信号二者合理关系是关键。经过综合分析后，采用模拟机翼受力状态静态校准的方式[5]，通过电桥合成拟合出一套适用于“新”的复合天平的信号输出公式。为验证该技术方案的可行性，确保试验数据的准确可靠，需要对“新”的复合天平加载，进行校准数据处理方法的验证。

(3)在机翼位置布置外置电桥，必须考虑应变计所需空间，因此需在机翼上采取开槽等手段，这与风洞试验中严格模拟模型外形的基本要求相矛盾。为了实现对模型外形的真实模拟，可以在开槽位置通过设计专用的模型盖板的手段解决。这样既完成了对外置电桥的保护，又实现了对试验模型的精确模拟。

2 方法步骤

2.1 单个片式铰链力矩天平的校准[6]

首先进行单个片式铰链力矩天平的校准。校准方法同传统的片式铰链力矩天平校准方法一样，采用体轴系校准。对天平各个分量施加标准载荷，通过校准设备，调整校准支杆及加载装置，保证施加的载荷方向始终与天平体轴系一致，根据不同载荷状态下天平各测量元的输出拟合出片式天平工作公式。

2.2 复合天平电桥信号的校准修正

片式天平固连在模型机翼上，将从与天平固定端连接处至翼尖的机翼部分视为一区域，在该区域的压心位置施加标准载荷，对应片式天平在有、无受力2种状态下外置电桥的2种信号输出，分别求得片式天平与外置电桥对片式天平配重的交叉项干扰系数以及外置电桥对片式天平的弯矩系数[5]。根据以上2个系数拟合得到外置电桥与片式天平各测量分量信号输出之间的信号修正公式：

2.3 信号修正公式的验证

将通过2.2节的修正公式获得的测量元输出信号，代入2.1节拟合的片式天平工作公式中参与迭代计算。改变模型、天平承受的标准载荷，将2组信号代入公式，重复上述步骤，验证修正公式及天平工作公式的准确度。

3 设计与应用实例

某型号铰链力矩风洞试验在FL-26跨超声速风洞中进行。试验模型具有大展弦比飞机的结构特点：翼展长2.3m，安装天平位置厚7.6mm，机翼沿展向各个截面的变形不一致，越靠近机身的部分刚度较强，远离机身部分的刚度越来越弱[7]。

3.1 问题分析

该片式铰链力矩天平与模型操纵舵面采用一体化设计[8](如图2所示)，片式铰链力矩天平的固定端与大展弦比模型机翼通过面面接触的方式，采用螺栓将二者固连。作为天平固定端，需具备足够刚性，但机翼的厚度决定了天平连接端的整体刚度系数不大，见图3中的A-A截面，连接部分的厚度与天平固定连接端的厚度相当。因此，该大展弦比飞机的翼型结构特点决定了“在风洞试验中，其机翼在受载后引起接口变形会直接传递给天平测量元件产生干扰”的必然性。实践证明，干扰信号对片式天平受载后产生的主信号是极为不利的，它降低了天平的测量精准度，见表1。从表中可以看出，机翼及连接接口变形对天平测量结果的影响有时甚至高达50%以上，该误差的量级在风洞试验中是绝对不被允许的。

某型号铰链力矩天平法向力Y/%铰链力矩Mj/%滚转力矩Mx/%正升力方向10kg202518正升力方向20kg144854负升力方向10kg73130负升力方向20kg135144

3.2 解决措施

为解决连接接口的设计难题，该天平采用了“马蹄铁”型面接触的连接方式，在确保安装定位准确的前提下，减小连接接触面，周边用螺钉连接，减小装配连接应力传递到天平元件上[9]。同时，为修正机翼变形以及天平固定连接部分整体刚度系数不足所带来的干扰信号，在机翼上天平固定连接端附近位置布置外置电桥测量元件，如图4所示，通过粘贴电阻应变计的方式形成惠斯顿全桥测量电路[6]。严格按照前文所述的加载方式，通过模拟机翼变形的状态，找出机翼变形、外置电桥信号以及铰链力矩天平信号三者的关系，完成整个信号修正过程。

3.3 信号修正结果

将上文提到的某型号片式铰链力矩天平测量结果采用外置电桥修正法进行信号修正，其加载值和误差得到大幅改善，见表2。将表1和2进行综合对比，可以看出，采用外置电桥修正法后，该片式铰链力矩天平的测量精准度得到了大幅提升。

表2 修正后的某型号铰链力矩天平加载值和不确定度Table 2 Loading loads and uncertainty for corrected results of the model’s hinge moment balance

3.4 风洞试验效果

某型号铰链力矩试验于中国空气动力研究与发展中心FL-26 风洞进行, 在完成了天平、 模型在全模试验段中的安装和调试后, 在机翼上对天平进行加载检验，确认天平状态正常，加载精准度满足试验要求后，再进入风洞进行试验准备。风洞试验前，这些天平在舵面上多个点多次加载,准度均在0.5%内。在试验过程中，参试天平经多次安装，无明显温度效应，顺利地完成了风洞试验。试验M=0. 3，0.4，0.7， 0. 75，0. 8， 0. 85。下面以某些状态模型为例,将不同马赫数数据进行对比, 其结果见图4～8。从图中的试验曲线规律来看, 试验数据规律良好，该试验数据得到了型号单位的认同。

4 结 论

为了克服传统的片式铰链力矩天平测量技术遇到的困难，作者探索了一种名为“外置电桥修正法”的信号修正方法，考虑到新方法在实施过程中遇到的若干技术关键问题，提出了具体的解决方法，并将这一方法成功运用到型号设计中，其修正结果说明外置电桥修正法在技术上是可行的。

修正后的加载结果表明，这种新型的信号修正方法可以有效修正机翼受载引起的天平接口变形对天平输出信号的影响，提高片式天平实际工作过程中的精度和准度，取得了令人满意的效果。现阶段该信号修正方法在本部已得到首次尝试，从长期效果考虑，这种新型的信号修正方法引起了研究人员对现阶段片式天平的更多思考，为今后模型与天平的一体化设计和数据修正开辟了新的技术途径。

在下一步的工作中，“多组不同形式的外置电桥共同完成信号修正”的工作将逐步开展，该方法还将被进一步总结和完善。

作者相信随着进一步开展更加细致的研究，外置电桥修正法能够作为一项适用的技术在今后铰链力矩风洞试验的气动力测量中发挥更大作用。

[1]王发祥. 高速风洞试验[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[2]李周复. 风洞特种试验技术[M]. 北京: 航空工业出版社, 2010.

[3]张书浚, 王运涛. 大展弦比联接翼静气动弹性研究[J]. 空气动力学学报, 2013, 31(2): 170-174.

Zhang S J, Wang Y T. Study on static aeroelasticity for high aspect ratio joined-wings[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2013, 31(2): 170-174.

[4]熊琳, 刘展, 陈河梧. 舵面天平技术及其在高超声速风洞的应用研究[J]. 实验流体力学, 2007, 21(3): 55-57.

Xiong L, Liu Z, Chen H W. Hinge moment balance technique and application in hypersonic wind tunnel[J]. Journal of Experments in Fluid Mechanics, 2007, 21(3): 55-57.

[5]白静, 解亚军. 风洞翼型天平校准技术[J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(6): 169-172.

[6]贺德馨. 风洞天平[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001.

[7]苏翼林. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1986.

[8]刘维亮, 贾巍. 某型号无人飞机舵面铰链力矩风洞试验天平设计图[R]. CARDC-2, 2010.

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(编辑：张巧芸)

Study on technology of using flaky hinge moment balance for high-aspect-ratio wings based on external electric bridge correction method

Jia Wei*, Liu Weiliang, Zhao Zhongliang, Miao Lei, Xie Bin, Mi Peng, Yang Hongsheng, Wang Shumin, Chen Zhu

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In application, the precision and accuracy of the traditional flaky hinge moment balance for the high-aspect-ratio wings are not high enough. The problem is caused by the additional interference signal resulted from the aerofoil transformation. Aiming at enhancing the hinge moment wind tunnel test data’s precision and accuracy for the high-aspect-ratio plane, the External Electric Bridge Correction Method (EEBCM) is explored. It is a new type of signal correction method using a set of signals to correct other signals, and its operational principle, steps and workflow are expounded in detail. Taking a wind tunnel test as an example: the external bridge is arranged on the wing, and the measurement results are compared with those without correction. The comparison shows that without the signal correction the balance measurement error is up to 54%, after the signal correction the measurement error is reduced to 6%, and the balance measurement accuracy has been improved. The present study provides a new idea for the application of the hinge moment balance to the high aspect ratio wings.

flaky hinge moment balance;high-aspect-ratio;external electric bridge correction method;aerofoil transformation;interference signal

1672-9897(2017)04-0059-05

10.11729/syltlx20160107

2016-06-29;

2016-12-15

JiaW,LiuWL,ZhaoZL,etal.Studyontechnologyofusingflakyhingemomentbalanceforhigh-aspect-ratiowingsbasedonexternalelectricbridgecorrectionmethod.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 59-63. 贾 巍, 刘维亮, 赵忠良, 等. 基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究. 实验流体力学, 2017, 31(4): 59-63.

V211.72

A

贾 巍(1985-)，女，吉林白城人，工程师。研究方向：风洞应变天平研制与应用。通信地址：四川省绵阳市中国空气动力研究与发展中心(621000)。E-mail: 43660704@qq.com

*通信作者 E-mail: 43660704@qq.com