高超聲速風(fēng)洞多天平測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)研究

舒海峰, 許曉斌, 孫 鵬

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

在高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)力試驗(yàn)中，為了能夠更加直觀地了解舵-體干擾、舵-舵干擾等復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)對(duì)舵面氣動(dòng)特性的影響，同時(shí)也為了盡可能地減少試驗(yàn)車次降低試驗(yàn)成本，設(shè)計(jì)單位希望在同一車次試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)量全彈和多個(gè)舵面的氣動(dòng)力。要實(shí)現(xiàn)這一要求，必須解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，即鉸鏈力矩測(cè)量試驗(yàn)技術(shù)和多天平測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)外從亞聲速到高超聲速范圍內(nèi)的鉸鏈力矩測(cè)量試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。并在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了多種工程預(yù)測(cè)方法和計(jì)算程序[1-6]。國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)60年代起，為滿足型號(hào)試驗(yàn)的需要，開(kāi)始開(kāi)展鉸鏈力矩測(cè)量試驗(yàn)研究。20世紀(jì)80年代特別是90年代以后，為滿足高性能戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、帶控制翼的機(jī)動(dòng)彈頭和航天運(yùn)載器快速發(fā)展的需要，國(guó)內(nèi)各研究單位相繼建立了高超聲速鉸鏈力矩試驗(yàn)技術(shù)[7-10]。

多天平測(cè)力在亞跨超聲速風(fēng)洞中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。但是，在高超聲速風(fēng)洞中，由于模型尺寸小、來(lái)流溫度高，多天平的布局比較困難，所以目前國(guó)內(nèi)在高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行的多天平測(cè)力試驗(yàn)相對(duì)較少。航天十一院陳河梧等提出了一種能夠用于高超聲速風(fēng)洞鉸鏈力矩測(cè)量的多天平布局方案[11]。尚沒(méi)有看到國(guó)內(nèi)其它單位在這方面研究的公開(kāi)報(bào)道。

經(jīng)過(guò)多年的探索，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所已經(jīng)具備了開(kāi)展高超聲速鉸鏈力矩試驗(yàn)的能力，并在Φ1m高超聲速風(fēng)洞中開(kāi)展了多天平測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)研究，研制了多臺(tái)鉸鏈力矩天平，開(kāi)展了風(fēng)洞試驗(yàn)，同時(shí)獲得了全彈和三個(gè)控制舵的氣動(dòng)特性。

1 研究方案

1.1試驗(yàn)裝置布局

由于所用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹较虺叽缧?，而軸向尺寸相對(duì)較大，為了能夠同時(shí)測(cè)量左右升降舵和方向舵的氣動(dòng)力，采用了鉸鏈力矩天平軸線與測(cè)量舵轉(zhuǎn)軸互相垂直的“縱軸式”布局方式，如圖1所示。

1.2鉸鏈力矩天平研制

鉸鏈力矩天平是測(cè)量舵面氣動(dòng)力的核心部件。因此，天平研制是進(jìn)行本項(xiàng)研究的主要工作之一。

1.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本研究中，天平的軸線與舵面轉(zhuǎn)軸垂直，當(dāng)改變舵面偏角時(shí)，天平保持不動(dòng)，因此，天平測(cè)量得到的氣動(dòng)力必須經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換才能得到舵面氣動(dòng)力。以右升降舵為例，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

圖1 試驗(yàn)裝置

NsY=AsYbsinδ1+NsYbcosδ1

(1)

ZsY=ZsYb

(2)

MxsY=(MxsYb-NsYb·zs)cosδ1+MysYbsinδ1

(3)

MysY=(MysYb+ZtsYb·xs-AsYb·zs)·

cosδ1-MxsYb·sinδ1

(4)

MzsY=MzsYt-NsYt·xs

(5)

其中，AsY：軸向力，N；NsY：法向力，N；ZsY：側(cè)向力，N；MxsY：滾轉(zhuǎn)力矩，N·m；MysY：偏航力矩，N·m；MzsY：俯仰力矩(鉸鏈力矩)，N·m；xs：升降舵力矩參考點(diǎn)與升降舵鉸鏈力矩天平校準(zhǔn)中心之間的軸向距離，m；zs：升降舵力矩參考點(diǎn)與升降舵鉸鏈力矩天平校準(zhǔn)中心之間的側(cè)向距離，m；δ1：右升降舵偏角，(°)。式中下標(biāo)b表示天平測(cè)量值。

由公式(1)可知，作用在天平軸向上的氣動(dòng)力在升降舵的法向(或方向舵的側(cè)向)將產(chǎn)生分量，隨著舵偏角的逐漸增大，這一分量呈非線性增大的趨勢(shì)。不測(cè)量天平的軸向力會(huì)對(duì)舵面氣動(dòng)力的測(cè)量結(jié)果造成一定影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難修正。因此，天平設(shè)計(jì)了軸向力元，當(dāng)測(cè)量結(jié)果由天平坐標(biāo)系向舵面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)，它作為計(jì)算升降舵法向力(或方向舵?zhèn)认蛄?的分量之一。通常情況下，測(cè)量升降舵的軸向力、法向力、俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩就可以確定升降舵鉸鏈力矩的大小和舵面壓心的位置(方向舵也類似)。但是，由于舵面的壓力中心遠(yuǎn)離天平軸線，天平的軸向力受偏航力矩的干擾較大，而偏航力矩又受側(cè)向力的干擾。因此，為了盡可能準(zhǔn)確測(cè)量舵面的氣動(dòng)力，必須將天平設(shè)計(jì)成六分量天平。

采用六分量鉸鏈力矩天平的主要技術(shù)難點(diǎn)是天平的總體尺寸受到模型內(nèi)腔空間的嚴(yán)格限制。升降舵天平的測(cè)量元件部分長(zhǎng)20mm、寬20mm、高25mm，按照常規(guī)的桿式天平設(shè)計(jì)方法，很難在這么小的空間內(nèi)布置六分量測(cè)量元。在綜合考慮天平總體尺寸、靈敏度、剛度和貼片的方便性之后，確定采用“矩形框架+三片梁”串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。圖2為升降舵鉸鏈力矩天平示意圖。其中，矩形框架梁的上下表面測(cè)量軸向力，彈性鉸鏈附近的內(nèi)側(cè)表面測(cè)量升降舵的側(cè)向力和偏航力矩(或者方向舵的法向力和俯仰力矩)，三片梁測(cè)量其它三個(gè)分量。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：(1) 有效縮短了天平的長(zhǎng)度，滿足天平總體尺寸較小的要求；(2) 各分量的靈敏度均比較合適；(3) 給貼片留出了較大的空間。方向舵鉸鏈力矩天平的結(jié)構(gòu)與此類似(圖3)。

圖2 升降舵鉸鏈力矩天平示意圖

圖3 方向舵鉸鏈力矩天平示意圖

1.2.2天平校準(zhǔn)

此次選取的測(cè)量舵為矩形舵，舵面的壓力中心位于舵面型心附近，而舵面型心與天平軸線的距離較大，作用在舵面上的氣動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于天平設(shè)計(jì)中心的附加力矩，而且量值較大。而在常規(guī)天平校準(zhǔn)方法中，加載中心與天平設(shè)計(jì)中心往往是重合的，進(jìn)行單純的力加載時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生附加力矩。因此，常規(guī)天平校準(zhǔn)裝置和校準(zhǔn)方法不能準(zhǔn)確地模擬天平的實(shí)際工作狀態(tài)，不適用于本項(xiàng)研究的天平的校準(zhǔn)。

(1) 校準(zhǔn)裝置

為了更加準(zhǔn)確地模擬天平的工作狀態(tài)，專門(mén)設(shè)計(jì)了兩件加載頭，分別用于升降舵天平和方向舵天平的校準(zhǔn)。加載頭的型心位置與舵面型心的位置基本重合。以加載頭的型心為加載中心，在加載中心及其前后左右對(duì)稱布置多個(gè)加載點(diǎn)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)升降舵鉸鏈力矩天平的法向力、俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩(或者方向舵的側(cè)向力、偏航力矩和滾轉(zhuǎn)力矩)的校準(zhǔn)；在加載頭的前后兩個(gè)加載點(diǎn)處各加工一個(gè)“V”形槽，使加載頭和天平轉(zhuǎn)90°后能夠進(jìn)行升降舵?zhèn)认蛄推搅?或者方向舵法向力和俯仰力矩)的校準(zhǔn)；在加載頭的側(cè)后方設(shè)置了1個(gè)加載點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)軸向力校準(zhǔn)。圖4為升降舵加載頭的設(shè)計(jì)圖，圖5為天平校準(zhǔn)裝置照片。

圖4 升降舵天平加載頭

圖5 天平校準(zhǔn)裝置

(2) 校準(zhǔn)方法

對(duì)升降舵天平而言，除了法向力、軸向力、俯仰力矩和滾轉(zhuǎn)力矩的相互干擾之外，側(cè)向力和偏航力矩對(duì)其它分量(特別是軸向力)的干擾也比較嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)加載表時(shí)，除了有單元加載(相對(duì)加載中心而言，下同)之外，還進(jìn)行了組合加載，以升降舵天平為例，組合加載時(shí)的各測(cè)量元組合包括N-Mz、N-Mx、A-Mx、A-N-Mz、Z-My、A-Z和A-Z-My等7種。采用含27項(xiàng)系數(shù)的顯式校準(zhǔn)通式計(jì)算天平的系數(shù)。鉸鏈力矩天平的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。除幾個(gè)小量(升降舵天平的側(cè)向力和偏航力矩、方向舵天平的俯仰力矩)之外，其它各測(cè)量元的靜校準(zhǔn)度達(dá)到或接近常規(guī)天平的要求。

表1 天平主要技術(shù)指標(biāo)

1.2.3減小溫度效應(yīng)影響的措施

目前常用的減小天平溫度效應(yīng)影響的措施主要有：加裝隔熱裝置、選用中溫應(yīng)變計(jì)和電阻橋路補(bǔ)償?shù)?。在本?xiàng)研究中，受安裝空間的限制，不能安裝隔熱裝置。因此，在貼片時(shí)選用了中溫應(yīng)變計(jì)，在組橋時(shí)進(jìn)行了電阻橋路補(bǔ)償。

在環(huán)境溫度20℃到60℃范圍內(nèi)，橋路補(bǔ)償前天平的零點(diǎn)漂移約為0.10～0.15mV。溫度補(bǔ)償后，環(huán)境溫度從20℃上升到60℃，天平的零點(diǎn)漂移最大為0.05mV左右，最小值小于0.01mV。補(bǔ)償起到了預(yù)期效果。

1.3舵偏角變換裝置設(shè)計(jì)

本項(xiàng)研究的另外一項(xiàng)重要工作就是舵偏角變換裝置的設(shè)計(jì)。

變換舵面偏角是否準(zhǔn)確、方便是影響舵面氣動(dòng)力測(cè)量精準(zhǔn)度和試驗(yàn)效率的重要因素。本次試驗(yàn)采用了天平-舵偏角變換裝置一體化設(shè)計(jì)。所謂“一體化”設(shè)計(jì)，就是將天平與舵偏角變換裝置設(shè)計(jì)成組合元件，即在天平的自由端設(shè)計(jì)一個(gè)帶有角度定位孔的法蘭盤(pán)，在測(cè)量舵上也設(shè)計(jì)一個(gè)帶有角度定位孔的法蘭盤(pán)，通過(guò)兩個(gè)法蘭盤(pán)上不同的角度定位孔的組合實(shí)現(xiàn)舵面角度的變換(圖6)。這種方式具有良好的定位精度，安裝也比較方便。

圖6 角度變換裝置示意圖

1.4風(fēng)洞試驗(yàn)

1.4.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在CARDC的Φ1m高超聲速風(fēng)洞上進(jìn)行。該風(fēng)洞為一座高壓下吹-真空抽吸、暫沖式運(yùn)行的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，配備了出口直徑為1m、名義馬赫數(shù)為4、5、6、7和8的型面噴管，模擬高度20～60km(隨M數(shù)的不同模擬范圍有所不同)，試驗(yàn)時(shí)間30s。風(fēng)洞配備了較完善的測(cè)控系統(tǒng)，可以滿足試驗(yàn)中的各種參數(shù)測(cè)量和處理、流場(chǎng)顯示與記錄的需要。

1.4.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)來(lái)流馬赫數(shù)5，總壓1.0MPa，總溫345K。迎角范圍為-5°～+17.5°，升降舵偏角為-20°、-10°、0°和10°，方向舵偏角為0°、2.5°、5°、10°、15°和20°。

1.4.3試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)尾支桿與風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)固連。天平的固定端通過(guò)正方形柱面配合定位、螺釘拉緊的方式安裝在支座上，支座與彈身固連。天平的自由端與測(cè)量舵上的法蘭盤(pán)連接，并用螺釘拉緊。測(cè)量舵除與天平連接之外，與試驗(yàn)裝置的其它零部件均無(wú)剛性接觸，舵與彈身之間留有0.5～0.7mm縫隙。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7給出了方向舵偏角為0°，升降舵偏角分別為-20°、-10°、0°和10°時(shí)左右升降舵的CNS、CMZS隨迎角變化的曲線圖。通過(guò)對(duì)比，左右升降舵的法向力和俯仰力矩(即升降舵鉸鏈力矩)均具有較好的一致性。

(a) CNS-α曲線

(b) CMZS-α曲線

圖8給出了升降舵偏角為0°，方向舵偏角分別為20°時(shí)方向舵的側(cè)向力系數(shù)和全彈的側(cè)向力系數(shù)的對(duì)比曲線。

圖8 全彈和方向舵?zhèn)认蛄ο禂?shù)隨迎角變化曲線

全彈天平測(cè)量到的側(cè)向力主要包括3個(gè)部分：氣流直接作用在方向舵上的側(cè)向力、彈體對(duì)方向舵的干擾以及方向舵偏轉(zhuǎn)對(duì)彈體的干擾。而作用在方向舵上的側(cè)向力只包括前兩部分。因而，方向舵?zhèn)认蛄εc全彈側(cè)向力略有差異。

3 結(jié) 論

通過(guò)在Φ1m高超聲速風(fēng)洞上開(kāi)展多天平測(cè)力試驗(yàn)技術(shù)研究，可以得到以下結(jié)論：

(1) 采用鉸鏈力矩天平軸線與測(cè)量舵轉(zhuǎn)軸互相垂直的“縱軸式”布局方式解決了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膹较虺叽缧?dǎo)致的多天平布局難度大的問(wèn)題；

(2) 對(duì)鉸鏈力矩天平的結(jié)構(gòu)形式、校準(zhǔn)裝置、校準(zhǔn)方法和減小溫度效應(yīng)影響的措施等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，并采取了合理的解決方案，天平的靜校準(zhǔn)度達(dá)到或接近了常規(guī)天平的技術(shù)水平；

(3) 通過(guò)采用天平-舵偏角變換裝置一體化設(shè)計(jì)，有效保證了舵偏角的變換精度。

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作者簡(jiǎn)介:

舒海峰(1980-)，男，山東濱州人，高級(jí)工程師。研究方向：高超聲速風(fēng)洞氣動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)。通訊地址：四川安縣131信箱(622663)； E-mail:shuhaifeng892@sohu.com