動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)微量滾轉(zhuǎn)力矩天平測(cè)試技術(shù)研究*

于衛(wèi)青，方養(yǎng)田，袁先士，陶福興，高超

(1中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 7 10065;2西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安 7 10072)

0 引言

飛行器動(dòng)態(tài)導(dǎo)數(shù)是確定飛行器動(dòng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。隨著新一代精確制導(dǎo)武器、高機(jī)動(dòng)武器、智能化武器的發(fā)展，高機(jī)動(dòng)、靜不穩(wěn)定、非零側(cè)滑角、大攻角等飛行狀態(tài)的出現(xiàn)，對(duì)飛行器的動(dòng)穩(wěn)定性認(rèn)知和預(yù)估提出了更高的要求。動(dòng)態(tài)導(dǎo)數(shù)是研究反映動(dòng)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，目前主要是通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的方法開(kāi)展研究。動(dòng)導(dǎo)天平是動(dòng)態(tài)導(dǎo)數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)的核心測(cè)試設(shè)備之一。

文中針對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈模型動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)微量滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量提出的特殊要求，成功地研制了一臺(tái)五分量高精度高靈敏度微量滾轉(zhuǎn)力矩天平。文中介紹了微量滾轉(zhuǎn)力矩動(dòng)導(dǎo)天平的設(shè)計(jì)方法、靜態(tài)校準(zhǔn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 天平設(shè)計(jì)

1.1 天平設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1)動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)測(cè)量的關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)的力和力矩信號(hào)以及模型角振蕩的位移信號(hào)，特別是有效地分離出有用信號(hào)。風(fēng)洞試驗(yàn)流場(chǎng)氣流脈動(dòng)噪聲和機(jī)械噪聲、電磁噪聲等背景噪聲會(huì)對(duì)天平力和力矩信號(hào)產(chǎn)生更高量級(jí)或同量級(jí)的干擾，為了提高模型強(qiáng)迫振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量精確度，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須盡量提高天平的信號(hào)輸出強(qiáng)度，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集的采樣速率。要求天平要有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的輸出靈敏度。

2)根據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方案，微量滾轉(zhuǎn)力矩天平與位移元件采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，天平要同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)分量測(cè)量，天平元件既是測(cè)量梁，又是支撐梁，為了避免模型天平彈性支撐系統(tǒng)出現(xiàn)共振帶來(lái)的機(jī)械損傷或機(jī)構(gòu)誤差，要求天平元件尺寸不能太長(zhǎng)。由于滾轉(zhuǎn)力矩分量相對(duì)于其它分量是一個(gè)小量，因此，在提高滾轉(zhuǎn)力矩分量設(shè)計(jì)靈敏度的同時(shí)，不能降低天平元件的剛度，增強(qiáng)天平的抗干擾能力，需要優(yōu)化天平元件結(jié)構(gòu)布局。

3)微量滾轉(zhuǎn)力矩天平設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮天平的強(qiáng)度、剛度和各元設(shè)計(jì)靈敏度的合理匹配。由于連接件、配合件等中間環(huán)節(jié)較多，造成天平測(cè)量系統(tǒng)固有頻率較低，系統(tǒng)阻尼下降。

4)合理選擇應(yīng)變計(jì)粘貼位置，設(shè)計(jì)好天平測(cè)量電橋橋路及走線。因?yàn)樘炱讲皇侵苯优c支桿連接，而是通過(guò)連接位移元件再連接天平支桿，要避免天平每一測(cè)量單元橋路連接漆包線與位移元件和模型相碰。

5)實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)迫振動(dòng)法，要考慮機(jī)構(gòu)振動(dòng)帶來(lái)的天平性能影響，避免出現(xiàn)天平元件受損或天平信號(hào)的非線性和不回零現(xiàn)象。

1.2 技術(shù)措施

為了避免出現(xiàn)上述問(wèn)題，微量滾轉(zhuǎn)力矩天平的設(shè)計(jì)采取了以下措施:

1)天平元件設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮天平的量程匹配、靈敏度、剛度和響應(yīng)頻率、測(cè)量單元之間的相互干擾等因素的影響。天平設(shè)計(jì)時(shí)要相互協(xié)調(diào)，精心布置，不能片面追求某個(gè)指標(biāo)，而忽視了天平的整體性能。

2)天平采用成熟的整體式桿式結(jié)構(gòu)型式，為了減小其它分量對(duì)滾轉(zhuǎn)力矩的干擾，提高天平滾轉(zhuǎn)力矩設(shè)計(jì)靈敏度，在天平設(shè)計(jì)中心處設(shè)置滾轉(zhuǎn)力矩分量的測(cè)量，滾轉(zhuǎn)力矩采用米字梁形結(jié)構(gòu)布局，這種結(jié)構(gòu)形式有利于滾轉(zhuǎn)力矩的測(cè)量，對(duì)其它分量的抗干擾能力強(qiáng)，剛度和強(qiáng)度較好;在天平設(shè)計(jì)中心前后處對(duì)稱(chēng)設(shè)置川型梁組合元件，用于測(cè)量法向力、俯仰力矩、偏航力和偏航力矩分量。天平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 微量滾轉(zhuǎn)力矩天平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖中:b1、h1為組合元件Y和Mz測(cè)量梁的寬和高;b2、h2為組合元件Z和My測(cè)量梁的寬和高;b3、h3為滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量梁的寬和高 ;ρ1為Y和Mz測(cè)量梁中心到Z和My測(cè)量梁中心的距離;ρ2為天平中心軸線到滾轉(zhuǎn)力矩元件測(cè)量梁中心的距離;D為天平元件直徑;l1為川型梁的長(zhǎng)度;l2為滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量梁的長(zhǎng)度。

3)兼顧天平各測(cè)量單元靈敏度的同時(shí)有效提高天平系統(tǒng)剛度，保證天平測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)阻尼最大，同時(shí)在保證連接可靠的情況下盡量縮短天平的連接尺寸，增加連接配合面。

4)根據(jù)天平的結(jié)構(gòu)型式，參考位移元件的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)天平測(cè)量電橋及粘貼，在不影響天平剛強(qiáng)度的情況下合理布置線槽，盡可能使天平的導(dǎo)線從位移元件的空間位置穿過(guò)。

5)保證天平的粘貼工藝和質(zhì)量要求，采用高精度的應(yīng)變計(jì)來(lái)進(jìn)行每個(gè)單元的橋路連接，在保證天平信號(hào)采集滿(mǎn)足使用要求的情況下，對(duì)應(yīng)變計(jì)及漆包線用硅膠進(jìn)行保護(hù)。

1.3 天平元件設(shè)計(jì)

滾轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)天平元件直徑為Φ24mm，天平元件總長(zhǎng)L=171mm，天平材料為F141，材料性能參數(shù)為:E=187250N/mm2，G=8000N/mm2，σb=1800N/mm2，λ =2.5，k=2，[σb]=360N/mm2。滾轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)天平設(shè)計(jì)條件見(jiàn)表1，天平設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 微量滾轉(zhuǎn)力矩天平設(shè)計(jì)條件

表2 微量滾轉(zhuǎn)力矩天平設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)

各分量設(shè)計(jì)應(yīng)變計(jì)算公式:

2 天平校準(zhǔn)

微量滾轉(zhuǎn)力矩天平的校準(zhǔn)是在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所BCL－2000A校準(zhǔn)裝置上進(jìn)行的，該校準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度為0.05%。下面給出該天平的校準(zhǔn)公式及靜校結(jié)果。

2.1 天平校準(zhǔn)公式

2.2 靜校結(jié)果

天平靜校結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可以看出，微量滾轉(zhuǎn)力矩天平靜校精度達(dá)到了GJB2244－94規(guī)定的先進(jìn)指標(biāo)，靜校準(zhǔn)度均優(yōu)于GJB2244－94規(guī)定的合格指標(biāo)。

表3 微量滾轉(zhuǎn)力矩天平靜校結(jié)果

3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

微量滾轉(zhuǎn)力矩天平在兵器CG－01風(fēng)洞進(jìn)行了7次重復(fù)性動(dòng)態(tài)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)Ma=0.6，攻角α =0°～8°，振動(dòng)頻率為17.5Hz。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?CG － 01風(fēng)洞導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)模型。模型直徑50mm，長(zhǎng)420mm，長(zhǎng)細(xì)比為8.4，彈身為圓柱形，彈尾帶有4片十字形布置的梯形平板翼，翼展150mm。如圖2所示。

圖2 CG－01風(fēng)洞導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)模型

實(shí)驗(yàn)裝置采用強(qiáng)迫振動(dòng)裝置，見(jiàn)圖3。該裝置設(shè)計(jì)指標(biāo):θ= θ－sinωt，θ－≤1.5°，f≤30Hz。該裝置由天平、位移元件、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒄駝?dòng)系統(tǒng)組成。AC數(shù)字伺服電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)扭矩，曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將伺服電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸的正弦滾轉(zhuǎn)。通過(guò)固聯(lián)在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的偏心輪在搖桿滑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿繞固定軸心周期正反轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫滾轉(zhuǎn)振動(dòng)。

圖3 強(qiáng)迫振動(dòng)裝置系統(tǒng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)7次重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。由結(jié)果可知，同一Ma，同一振動(dòng)頻率下滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)重復(fù)性測(cè)量精度優(yōu)于4%，實(shí)驗(yàn)精度高，規(guī)律性好。

表4 滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Ma=0.6，α =0°－ 8°，f=17.5Hz)

圖4 滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

微量滾轉(zhuǎn)力矩天平通過(guò)了風(fēng)洞動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，該天平結(jié)構(gòu)合理，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，精準(zhǔn)度高，性能穩(wěn)定，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)精度高，規(guī)律性好，能夠滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈模型動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)微量滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量提出的特殊要求和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)精度要求，所以該天平研制是成功的。該天平的成功研制，為以后用于彈箭模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的微量滾轉(zhuǎn)力矩測(cè)量的天平提供了技術(shù)支持。

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