低速大迎角張線尾撐系統(tǒng)支架干擾影響研究

祝明紅,孫海生,金 玲,湯 偉,劉志濤

(1.西北工業(yè)大學航空學院,西安 710072;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽 621000)

0 引 言

風洞試驗數(shù)據(jù)支撐修正技術是影響風洞試驗結果的主要因素之一。對于軍機的低速風洞試驗,尤其是大迎角試驗項目,國內(nèi)外均采用尾部支撐或張線支撐。而據(jù)目前了解,國內(nèi)在進行尾部支撐或張線支撐的低速風洞試驗過程中,對支撐干擾是沒有進行扣除的,根本原因在于,盡管在此方面做過大量的工作,但局限于某些典型布局模型以及常規(guī)的支撐裝置,并沒有完全掌握支撐系統(tǒng)的干擾規(guī)律及干擾量值,因此,難以給出工程實用的支架干擾修正方法。隨著我國航空工業(yè)技術的發(fā)展,對風洞試驗數(shù)據(jù)準度的要求愈來愈高[1-4]。

近年來,中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所的Ф 3.2m風洞承擔了大量的型號試驗,張線尾撐裝置是該風洞最常用的支撐裝置,尤其在大迎角試驗能力方面具有獨特的優(yōu)勢。為了進一步提高大迎角試驗數(shù)據(jù)的質(zhì)量,摸清其支架干擾規(guī)律,在Φ 3.2m風洞開展了張線尾撐系統(tǒng)的支架干擾試驗研究工作。研究結果表明：張線尾撐裝置的橫梁對飛機縱向的遠場干擾量較小,大迎角區(qū)域內(nèi)尾支桿對飛機縱向的近場干擾量較大;迎角小于15°范圍內(nèi),支架使飛機偏航力矩系數(shù)減小、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)增大,隨側滑角增大支架干擾量增大;去掉立尾后尾支桿對俯仰力矩的干擾明顯減小。

1 試驗設備及模型

1.1 試驗設備

1.1.1 風洞

CARDC-1 Φ 3.2m低速風洞是一座開閉口兩用單回流式風洞。試驗段截面為圓形,直徑為3.2m,長5m,開口試驗段的最高風速可達115m/s,常用風速60～85m/s。試驗在開口試驗段中進行。

1.1.2 測量設備

試驗采用TG0561B桿式六分量應變天平測力,用LSRP90單軸力平衡式伺服傾角傳感器測量模型迎角,傳感器測量精度為0.6′。試驗測控處系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡、測量控制、壓力控制和姿態(tài)角控制4部分。系統(tǒng)速壓的控制精度0.3%,準度用微壓計校準,姿態(tài)角控制精度3′。

1.1.3 模型支撐系統(tǒng)

試驗模型采用張線尾撐方式支撐,見圖1。張線尾撐裝置主要由張線掛架、支撐架、橫梁、支座和尾支桿等部分組成,迎角范圍為±360°,側滑角范圍為± 40°。為了減小大迎角時可能出現(xiàn)的模型振動,在張線與掛架間安裝抑振彈簧。

圖1 張線尾撐裝置Fig.1 Wire-assistant sting support set in Φ 3.2m LSWT

為研究支架干擾而研制了新的模擬尾支桿、橫梁及其支撐附屬部件。真假尾支桿的直徑均為60mm,即所有模擬部件與試驗使用部件尺寸完全一致。

1.2 模型

試驗模型為YF-16飛機1∶9鋁合金標模,模型基本狀態(tài)定義為各舵面偏度均為0°。模型采用自由轉(zhuǎn)捩方式,示意圖見圖2。模型主要幾何參數(shù)：S= 0.3210m2,cA=0.3704m,b=0.9815m。

2 研究內(nèi)容與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究內(nèi)容

本次試驗迎角α=-5°～90°,側滑角β=0°～20°。風速V=50～60m/s。研究內(nèi)容包括縱橫向支架干擾試驗(遠場干擾和近場干擾)和不同外形布局飛機的尾支桿支架干擾試驗(近場干擾)。

圖2 YF-16飛機模型示意圖Fig.2 Sketch of YF-16 model

2.2 研究方法

張線尾撐裝置的支架干擾由兩部分組成：尾支桿的近場干擾和橫梁的遠場干擾。支架干擾試驗采用傳統(tǒng)兩步法進行,即“尾撐支架干擾”=“背撐+假尾撐支架”-“背撐”。模型和天平通過支桿安裝于支撐系統(tǒng)上。圖3給出了支架干擾試驗模型支撐示意圖。采用圖3的方式(假支架由尾支桿和橫梁組成)獲得遠場和近場支架干擾之和,采用圖4的方式(假支架僅由橫梁組成)獲得遠場支架干擾,此二者之差即為近場支架干擾(與尾支桿和橫梁相比,四根張線的干擾量為小量,本次研究忽略不計)。

圖3 支架干擾研究示意圖Fig.3 Sketch of interference study of wireassistant sting support

試驗結果中,縱向力和力矩(CL、CD、Cm)在風軸系中給出,橫側向力和力矩(CY、Cn、Cl)在體軸系中給出。

3 結果及分析

3.1 張線尾撐支架干擾研究

圖5給出了V=60m/s、β=0°條件下的全機基本狀態(tài)支架縱向干擾試驗結果[5]。圖中：“support”、“sting”、“beam”分別表示尾支桿和橫梁的組合、尾支桿、橫梁。

圖4 遠場支架干擾研究示意圖Fig.4 Sketch of interference study of wireassistant sting support in far field

圖5 支架對縱向氣動特性的干擾量(β=0°)Fig.5 Interference value of support on the longitudinal characteristics(β=0°)

由圖5可知,失速迎角之前：尾支桿和橫梁的存在使升力系數(shù)和阻力系數(shù)減小,在α=20°時升力干擾量達到最大值-0.02,在α=30°時阻力干擾量達到最大值-0.008;去掉尾支桿后即橫梁的干擾規(guī)律類似;去掉橫梁后即尾支桿的干擾量很小。失速迎角之后：尾支桿和橫梁的存在使升力系數(shù)和阻力系數(shù)增大,在α=47°附近升力干擾量達到最大值0.031,在α=70°附近阻力干擾量達到最大0.0385;尾支桿的干擾規(guī)律類似;橫梁的干擾量較小。

由圖5可知,在整個試驗迎角范圍內(nèi),尾支桿和橫梁的存在使俯仰力矩系數(shù)減小,失速迎角之前,支架對俯仰力矩系數(shù)的干擾較小,約為-0.003;失速迎角之后,支架干擾明顯增大,在α=55°附近支架干擾量達最大值-0.02。尾支桿的干擾規(guī)律類似。去掉尾支桿后即橫梁的干擾量明顯減小,失速迎角之前對俯仰力矩的干擾很小,失速迎角之后干擾略增大?？梢?在大迎角區(qū)域尾支桿對升力、阻力和俯仰力矩的近場干擾占支架干擾的主要部分。去掉尾支桿后即橫梁對飛機俯仰力矩特性影響不大。

圖6給出了V=50m/s、不同側滑角下全機基本狀態(tài)尾支桿和橫梁(支架狀態(tài)同圖5中的“support”曲線)的橫航向干擾試驗結果[5]。由圖可知：α≤15°范圍內(nèi),尾支桿和橫梁的存在使飛機的偏航力矩系數(shù)減小;隨著側滑角增大支架干擾量增大,β=20°時偏航力矩系數(shù)干擾量約為-0.002,α≥15°后,干擾量與側滑角無明顯的變化規(guī)律。由圖可知：α≤20°范圍內(nèi),尾支桿和橫梁的存在使飛機滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)增大;隨著側滑角增大支架干擾量增大,β=20°時干擾量約為0.002, α≥20°后,干擾量與側滑角無明顯的變化規(guī)律。

圖7給出了V=50m/s、不同側滑角下飛機無立尾狀態(tài)尾支桿和橫梁(支架狀態(tài)同圖5中的“support”曲線)的橫航向干擾試驗結果[5]。由圖可知,β =10°時尾支桿和橫梁的存在對飛機偏航力矩系數(shù)和滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)影響很小。隨側滑角增大支架干擾量增大,β=20°時支架對偏航力矩系數(shù)干擾量約為-0. 0009,對滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)干擾量約為-0.0013。試驗結果表明：隨側滑角增大支架干擾量增大;與圖6所示結果相比,去掉立尾后支架干擾明顯減小。

3.2 不同外形布局飛機的尾支桿干擾研究

圖8給出了V=60m/s、β=0°、不同飛機模型條件下的相同幾何參數(shù)尾支桿支架干擾試驗結果。圖中：1表示某無平尾布局飛機模型試驗的尾支桿干擾量[6],2表示YF-16飛機模型試驗的尾支桿干擾量,即圖5所示的結果。

圖8 不同飛機模型的尾支桿干擾量(β=0°)Fig.8 Interference value of sting with different aircrafts (β=0°)

由圖可知：較正常布局的YF-16,α≤55°范圍內(nèi),無平尾布局飛機條件下的尾支桿升力系數(shù)干擾量明顯較大,在α=40°～50°時達到最大值0.035;α≥60°后,干擾量明顯減小。在α＜20°范圍內(nèi),尾支桿的存在使無平尾布局飛機的阻力系數(shù)略減小,量值約為-0.002;在20°≤α≤55°范圍內(nèi),干擾量略大于YF-16;α≥55°后,干擾量明顯減小。較正常布局的YF-16,尾支桿對無平尾布局飛機的俯仰力矩系數(shù)的干擾量很小,約為0,而YF-16的約為-0.004,這主要是因為YF-16飛機具有平尾,而尾支桿對飛機平尾的干擾影響較大,造成較大的俯仰力矩系數(shù)干擾量。

4 結 論

通過對試驗現(xiàn)場和試驗結果的綜合分析,可以得出以下結論：

(a)張線尾撐裝置的橫梁對飛機縱向的遠場干擾量較小,大迎角區(qū)域內(nèi)尾支桿對飛機縱向的近場干擾量較大;

(b)α≤15°范圍內(nèi),尾支桿和橫梁的存在使飛機偏航力矩系數(shù)減小、滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)增大,隨側滑角增大支架干擾量增大;去掉立尾后支架干擾明顯減小;

(c)不同外形布局飛機的縱向尾支桿干擾影響差別較大,尤其是氣動力矩。所以針對不同外形飛機需要開展相應的支架干擾研究,以便真實準確扣除支架干擾量。

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