天平零点温度效应补偿技术*

李 强,崔智强,李小刚,赵长辉,徐重玖,刘博宇,许文格

(中国航空工业空气动力研究院,沈阳 110034)

0 引言

高速推力矢量、喷流影响风洞试验一般采用内置杆式天平进行模型、喷管气动载荷的精确测量,由于试验模型小,天平与高压管路高度耦合见图1。在模拟喷流落压比时,模型及喷管内部须引入高压冷空气进行喷流落压比的模拟,冷空气高压高速的喷出使天平体各处存在不同程度的温度变化,天平本身的零点温度效应严重的影响风洞试验数据的可靠性、准确性及试验效率。在推力矢量、喷流影响风洞试验中一般测量尾喷在喷流与不喷流时的相对变化量,该变化量为一个很小量,因此对天平测量的精、准度要求很高,而喷流引起的天平零点的变化引起的测量位差在试验测量中就成为一个关键影响因素,很大程度上影响了实验数据的准确性,如何保证天平零点在温度不断变化下的稳定性成为了该类试验亟待解决的关键,为此天平零点温度补偿技术对喷流影响量的准确测量具有重要意义。

图1 高速推力矢量、喷流影响风洞试验模型

1 天平零点温度效应补偿方法

天平零点温度效应存在的机理:天平在未受载荷作用下,天平体的温度改变将使应变计及其连接导线的电阻改变,且存在热应力,共同导致了天平的零载输出变化。文中采用天平零点电路温度补偿方法对天平的零点温度效应进行补偿;天平零点电路温度补偿是在电桥臂中串联对温度敏感的电阻,用温度敏感的电阻产生的温度效应抵消电桥的零点效应[1]。

图2 天平零点电路温度补偿方法

1.1 天平桥路方式的选择

在高低温试验箱内对天平U1和U2元进行了两种不同桥路方式的零点温度效应对比试验,天平桥路方式如图3、图4[2-3]。

图3 天平桥路方式一

图4 天平桥路方式二

试验结果如表1,从试验结果可见:天平桥路方式二的零点温度效应小,固化了天平各元内部桥路线长度一致的天平桥路方式。

表1 两种天平桥路方式的零点温度效应

1.2 零点温度补偿线的选择

在高低温试验箱内对两种不同的零点温度补偿线进行了零点温度补偿分辨率的对比试验,零点温度补偿线如图5、图6[4]。

试验结果如表2,从试验结果可见:单位长度天平桥路线的零点温度补偿分辨率更高。该试验结果的应用大大提高了天平零点温度效应补偿的效率,确定了天平零点电路温度补偿的高指标:每10 ℃天平各元的输出变化量均小于0.2 μV/(V·10 ℃)。

图5 高精度合金线

图6 天平桥路线

项目高精度合金线天平桥路线天平零点温度效应补偿指标μV/(V·10℃·mm)μV/(V·10℃)零点温度补偿分辨率0.770.0420.2

2 天平零点温度效应补偿的风洞试验应用

该项技术在FL-3的某飞机喷管推力损失和喷管载荷高速风洞试验中得以应用验证,图7为阻力随落压比的影响曲线,试验结果得到了客户的高度好评。

图7 阻力随落压比的影响曲线(M=0.8真实外形14#迎角为0°)

试验结果表明:此次试验阻力的重复性达到0.000 2,升力的重复性达到0.001,俯仰力矩的重复性达到0.000 8,数据的优异离不开天平零点温度效应补偿的极大贡献;此次风洞试验采用了天平零点温度效应补偿技术,试验效率接近常规测力试验,即提高了风洞试验效率,从而降低了风洞试验成本(以往该类风洞试验通常需要喷流40 min使得天平体达到温度稳定后吹风,制约了试验的效率,同时也提高了气源的运行成本)。

3 结论

在导弹及飞机型号的高速推力矢量、喷流影响类风洞试验中,由于内置杆式天平与喷流高压管路高度耦合,高压管路中的高压冷空气使天平体的温度下降,天平本身的零点温度效应将严重地影响风洞试验数据的可靠性、准确性及试验效率,急需开展天平零点温度效应补偿技术研究。文中采用了天平零点电路温度补偿方法,从天平零点温度效应存在的机理出发,开展了不同天平桥路方式和不同零点温度补偿线等大量对比试验;固化了天平各元内部桥路线长度一致的天平桥路方式和高分辨率的零点温度补偿线,从而提高了天平零点温度效应补偿的效率和质量。该项技术在某飞机喷管推力损失和喷管载荷高速风洞试验中应用验证,风洞试验的结果证实了该项技术的实效性。