旋转天平试验预弯接头干扰研究

张永升，刘丹，黄浩，陆伟，张秋实，王乾威

(中国航天空气动力技术研究院 第二研究所，北京 100074)

0 引 言

尾旋是飞机最复杂的飞行状态之一，它以超过失速迎角、较大的侧滑角、显著的滚转角速度及偏航角速度为主要特征。飞机一边滚转，一边偏航，在地心引力的作用下沿着半径很小的螺旋线下落，严重危及飞行安全。因此，无论是军用飞机还是民用飞机的研制，都要求飞机不易进入尾旋或进入尾旋后能比较容易改出。然而预测飞机尾旋是一项十分复杂的工作，因为它不仅涉及与绕飞机失速流动现象相关的空气动力学，而且还与飞机当时的飞行姿态、运动特性与过程以及驾驶员的操纵特点等有关。大量的飞机设计和使用经验表明：在飞机初步设计阶段到原型机试飞的整个研究过程中，同时或交叉使用多种预测研究方法和手段，相互配合和补充，才有可能成功地预测给定飞机的失速/尾旋特性，其中通过旋转天平试验确定旋转状态下的气动导数是极为关键的。国内在尾旋特性研究方面开展了大量研究工作，并建立发展了成熟的旋转天平风洞试验技术[1-4]。欧美等发达国家在旋转天平风洞试验技术领域处于领先地位，并开展了大量的应用研究[5-7]。

旋转天平试验提供的是旋转的飞机模型在流场中受到的气动力，它不仅可以用来直接预测稳态尾旋平衡点及其性质，而且可以对飞机从尾旋的进入、发展到改出的时间历程计算提供较为准确的气动力数据。在风洞中进行旋转天平试验的主要目的是测定飞机模型在不同迎角和侧滑角下，以不同速率绕气流坐标轴系的x轴作等速旋转状态下的气动特性，为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动系数。

国内目前投入使用的旋转天平试验装置共有4套。沈礼敏[8]、孙海生等[9]在FL-12风洞中研制了旋转天平试验装置，并开展了大量的型号试验；范洁川[10]、杨恩霞等[11-12]开展了尾旋特性理论研究，并在FL-8风洞中建立了旋转天平试验装置；马军等[13]在φ5 m立式风洞中建立了旋转天平试验装置，扩展了立式风洞的试验能力；黄浩等[14]在FD-09风洞中建立了旋转天平试验装置，并投入型号试验使用。

目前国内现有的旋转天平试验装置均使用弧形弯轨的方式，为了获得较大的迎角范围，都采用了预弯接头的设计。预弯接头在增大迎角范围方面起到了积极作用，但是存在如下弊端：在小迎角下，预弯接头正好处于模型的尾流区内，预弯接头对流场的扰动会向前传递，干扰模型的绕流，特别是飞机模型尾部的绕流，进而对模型的气动力和气动力矩产生一定干扰。

在旋转天平试验干扰研究方面，Gao Jianjun等[15]在FL-8风洞中开展了旋转天平试验支架干扰研究，主要研究了弧形弯轨和尾撑/背撑支杆的干扰特性。但是针对小迎角下预弯接头的干扰特性研究国内外仍未见报道。

本文基于中国航天空气动力技术研究院的FD-09低速风洞旋转天平试验系统[14]开展了预弯接头干扰试验研究，以分析小迎角下预弯接头对模型气动力和气动力距的干扰特性，以期为飞机型号开展旋转天平试验提供参考。

1 试验设备和模型

1.1 FD-09低速风洞

FD-09风洞是一座单回流闭口低速风洞，试验段横截面为四角圆化正方形，FD-09风洞的气动布局如图1所示。

图1 FD-09风洞气动布局图Fig.1 The layout of FD-09 wind tunnel

FD-09风洞主要参数如下：

试验段截面尺寸：3 m×3 m

试验段长度：14 m

空风洞最大风速：100 m/s

试验段平均湍流度：0.13%

试验段轴向静压梯度：0

1.2 旋转天平试验系统

FD-09风洞旋转天平试验机构由支撑底座、主轴组件、弧形弯轨、配重、预弯接头、支杆、滑块、支撑板等部分组成，如图2所示。旋转天平试验装置在FD-09风洞试验段内的阻塞度为4.1%。试验装置的运动原理为：主轴尾部的伺服电机通过减速机带动主轴旋转，主轴带动弯轨做连续稳定匀速的旋转，最终带动模型实现锥形运动。

图2 旋转天平试验机构Fig.2 Rotary balance testing facility

预弯接头可以在弯轨上滑动来改变支杆俯仰角(间隔2°)，支杆可以绕自身轴线转动来改变支杆滚转角(无极变化)，两者合理组合即可获得所需的模型迎角和侧滑角。预弯接头分为16°预弯接头和28°预弯接头两种，以满足不同试验的需求。模型支撑方式有尾撑、背撑和腹撑三种。旋转机构的静平衡通过调整配重位置来实现，共有多套不同质量的配重可用。

天平信号经滑环引出，通过信号放大与滤波，再由NI数据采集器采集数据。试验中每个转速稳定后采集7个周期的数据，每个周期采集360个点，选择中间5个周期的数据取平均值。

FD-09低速风洞旋转天平试验系统的主要性能指标如下：

转速范围：0～300 rpm

迎角范围：-148°～148°

侧滑角范围：-58°～58°

1.3 SDM标模

本文使用的飞机标模是动态标准模型(Standard Dynamic Model，简称SDM)。FD-09风洞SDM标模为1∶1的标模，其壳体由碳纤维材料制成，内衬金属骨架，既可保证模型有足够的刚度和强度，又能保证模型有较小的质量和转动惯量。SDM标模质量约10 kg，其几何参数如下：机身长1.049 m，展长b=0.678 m，平均气动弦长cA=0.255 8 m，力矩参考点距头部0.613 m。

SDM标模外形如图3所示。

(a) 俯视图

(b) 侧视图

(c) 前视图图3 SDM标模Fig.3 Standard dynamics model

2 试验方法

根据旋转天平试验原理及试验机构设计特点，设计使天平中心、模型力矩参考点以及旋转轴线三者重合在弧形弯轨圆弧的圆心处。当预弯接头(如图2所示)在弧形弯轨上滑动改变模型俯仰角时，模型一直处于弧形弯轨圆弧的圆心处，则弧形弯轨的中间孔位区域一直处于模型的尾流区内。而在小迎角范围内，预弯接头正好安装在弧形弯轨的中间孔位区域，即小迎角下预弯接头正好处于模型的尾流区内。

在小迎角范围内，以俯仰角θ=10°为例，预弯接头(预偏16°)安装于俯仰角“θ”对应的弧形弯轨孔位，则预弯接头正好处于模型的尾流区内，如图4(a)所示。为了研究预弯接头的干扰影响，需将预弯接头移出模型尾流区。

采用的研究方法为：将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型。

具体方法如下：将预弯接头安装于俯仰角“θ”对称的负角度，即“-θ”对应的弧形弯轨孔位，再将模型绕天平轴线旋转180°翻转安装，则模型的姿态保持不变，只是预弯接头移到模型尾流区外，如图4(b)所示。

(a) 预弯接头在尾流区内

(b) 预弯接头在尾流区外图4 预弯接头及模型安装方式Fig.4 The installation mode of pre-bending support joint and model

通过上述安装方式可以在不更换接头的情况下实现预弯接头在模型尾流区内/外两种状态，方法简便，也便于比较。

3 试验过程与结果

基于FD-09风洞旋转天平试验系统，采用SDM标模和16°预弯接头，研究迎角分别为0°和10°姿态下预弯接头的干扰特性。由于预弯接头为预偏16°，在迎角分别为0°和10°下，预弯接头都处于模型的尾流区内，说明本文研究内容具有代表性。

风洞试验主要通过上述研究方法来开展对比试验，获得预弯接头在尾流区内/外两种状态下SDM模型的气动特性数据，以分析小迎角下预弯接头的干扰特性。预弯接头干扰特性曲线如图5～图6所示，横坐标为无量纲旋转参数λ=ωb/2v，纵坐标为模型体轴系六分量气动力系数和气动力矩系数。

预弯接头对纵向气动特性的干扰曲线如图5所示。

(a) CA随λ的变化曲线

(b) CN随λ的变化曲线

(c) Cm随λ的变化曲线图5 预弯接头对纵向气动特性的干扰Fig.5 The interference of pre-bending support joint on longitudinal aerodynamic characteristic

从图5可以看出：(1)小迎角下，预弯接头在模型尾流区内对SDM标模纵向三个分量气动特性曲线都有干扰。(2)迎角为0°时，预弯接头对轴向力系数CA和法向力系数CN的干扰较小，但是对俯仰力矩系数Cm的干扰比较明显。(3)迎角为10°状态与迎角为0°状态的干扰特性类似，预弯接头对Cm的干扰要比对CA和CN的干扰更加明显。迎角10°时，预弯接头对纵向三个分量气动特性曲线都有比较明显的干扰，并且迎角10°时预弯接头引起的气动干扰量要明显大于迎角0°的状态。(4)从干扰特性来看，预弯接头的干扰导致CA减小，CN和Cm增大。这主要是因为预弯接头在模型尾流区内，其体积效应的干扰会增大模型尾部尾流区压力，使模型的压差阻力减小，导致CA减小。同理，由于模型尾部尾流区压力增大，会对模型产生一个抬头力矩，导致Cm增大。(5)预弯接头的干扰主要是引起纵向气动特性曲线的平移，对气动特性曲线的斜率几乎没有影响，即对旋转导数几乎没有影响。

预弯接头对横航向气动特性的干扰曲线如图6所示。

(a) CY随λ的变化曲线

(b) Cn随λ的变化曲线

(c) Cl随λ的变化曲线图6 预弯接头对横航向气动特性的干扰Fig.6 The interference of pre-bending support joint on lateral-directional aerodynamic characteristic

从图6可以看出：(1) 小迎角下，预弯接头在模型尾流区内对SDM标模横航向三个分量气动特性曲线都有干扰。(2) 预弯接头对滚转力矩系数Cl的干扰比较小，但是对侧向力系数CY和偏航力矩系数Cn有比较明显的干扰。(3) 迎角10°时预弯接头引起的气动干扰量要明显大于迎角0°的状态。(4) 从干扰特性来看，预弯接头的干扰主要是引起横航向气动特性曲线的平移，对气动特性曲线的斜率几乎没有影响，即对旋转导数几乎没有影响。

综上所述，(1) 小迎角下，预弯接头在尾流区内对SDM标模纵向和横航向气动特性曲线都有干扰。(2) 迎角10°时预弯接头引起的气动干扰量要明显大于迎角0°的状态。(3) 预弯接头的干扰主要是引起纵向和横航向气动特性曲线的平移，对气动特性曲线的斜率几乎没有影响，即对旋转导数几乎没有影响。

4 结 论

(1) 在小迎角下，预弯接头正好处于模型的尾流区内，对模型纵向和横航向气动特性曲线都有干扰；并且不同迎角下预弯接头引起的气动干扰量有明显不同；预弯接头的干扰主要是引起气动特性曲线的平移，对旋转导数几乎没有影响。

(2) 本文提出的将预弯接头安装到对称的负角度并翻转模型的干扰修正方法非常简便，在不更换接头的情况下可实现预弯接头在模型尾流区内/外两种状态，可以为旋转天平试验开展预弯接头干扰修正研究提供一种方便快捷的试验方法。