低速全模顫振試驗(yàn)懸掛支撐系統(tǒng)

唐建平, 楊遠(yuǎn)志, 梁 鑒

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 低速空氣動力研究所,四川 綿陽 621000)

0 引 言

顫振是飛機(jī)飛行中空氣動力、結(jié)構(gòu)彈性力和慣性力作用下的自激振動[1-2]。顫振一旦發(fā)生，將導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，因此必須保證在飛機(jī)使用包線中不發(fā)生顫振。民航條例[3]要求有15%的顫振臨界速度裕度，即顫振臨界速度要大于1.15倍的最大飛行速度。為此，在型號設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行顫振風(fēng)洞試驗(yàn)，以得到飛機(jī)的顫振特性[4-5]。

全模顫振試驗(yàn)與常規(guī)試驗(yàn)不同，最大的區(qū)別在于前者要求模型在試驗(yàn)過程中有多個(gè)方向的自由度[6-7]。國外低速風(fēng)洞全模顫振試驗(yàn)通常都有一套通用的懸掛支撐系統(tǒng)，如美國蘭利風(fēng)洞的雙索懸掛支撐系統(tǒng)[8]，俄羅斯的五自由度懸浮支撐系統(tǒng)等。這些通用支撐系統(tǒng)應(yīng)用于多種全機(jī)模型的顫振試驗(yàn)，對于顫振試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)果分析具有重要意義。國內(nèi)低速顫振試驗(yàn)一般根據(jù)具體的模型加工一套專用懸掛系統(tǒng)，缺點(diǎn)是沒有通用性，對不同顫振試驗(yàn)結(jié)果的對比分析不利，也不利于顫振試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

設(shè)計(jì)通用全模顫振懸掛系統(tǒng)要解決的問題是：(1) 如何減小懸掛系統(tǒng)對顫振模型附加的結(jié)構(gòu)和氣動影響，同時(shí)能穩(wěn)定支撐模型。(2) 如何調(diào)整模型在風(fēng)洞中的位置以及模型的姿態(tài)角。(3) 如何調(diào)整模型沉浮、俯仰和偏航方向的自由度[9-11]。(4) 如何選擇模型上的掛點(diǎn)位置，使得風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)下模型能保持平衡狀態(tài)。

為發(fā)展顫振試驗(yàn)技術(shù)，氣動中心低速所引進(jìn)TsAGI(俄羅斯中央流體動力研究院)核心技術(shù)，在φ3.2m風(fēng)洞建立了通用的全模顫振懸掛支撐系統(tǒng)(Floating Suspension System，簡稱FSS)。

1 FSS的設(shè)計(jì)方法

針對要解決的問題，設(shè)計(jì)了一套FSS，設(shè)計(jì)方案見圖1。主要設(shè)計(jì)方法如下：

(1)材料選擇：鋼索和彈簧

鋼索細(xì)，對模型的流場干擾??；鋼索輕、柔軟，對模型產(chǎn)生的附加質(zhì)量和剛度小。

彈簧用來使模型具備自由度，可選擇不同數(shù)目和剛度的彈簧組合，適應(yīng)不同質(zhì)量的模型。彈簧置于風(fēng)洞外，不會影響流場。

(2)自由度分解

(a) 將自由度分解為縱向自由度(沉浮、俯仰和滾轉(zhuǎn))和橫向自由度(側(cè)向運(yùn)動、偏航和前后運(yùn)動)兩部分。

具體設(shè)計(jì)為將懸掛系統(tǒng)分解為垂直懸掛系統(tǒng)和水平懸掛系統(tǒng)兩部分，兩者相互獨(dú)立。

圖1 φ3.2m風(fēng)洞的FSS設(shè)計(jì)方案

(b) 縱向自由度控制采用3組垂直懸掛彈簧(前懸掛一組、后懸掛兩組)解決。

垂直懸掛系統(tǒng)見圖2、3，包括：試驗(yàn)段頂部中央懸掛框架、帶刻度尺的橫梁、能在橫梁上滑動的電葫蘆、彈簧組、鋼索和垂直懸掛耳片。

圖2 φ3.2m風(fēng)洞的FSS設(shè)計(jì)圖

圖3 垂直懸掛中央框架

模型通過耳片懸掛在3根垂直鋼索上。前懸掛耳片在模型的對稱面上，后兩個(gè)懸掛耳片對稱分布于模型尾部。垂直鋼索上方通過彈簧、電葫蘆固定于頂部中央框架橫梁上。

(c) 將橫向自由度再次分解為前后運(yùn)動自由度、側(cè)向運(yùn)動自由度和偏航自由度3部分。

水平懸掛系統(tǒng)見圖2、4，包括：水平鋼索、張緊索、水平懸掛系統(tǒng)的前支撐點(diǎn)、水平懸掛系統(tǒng)的后支撐點(diǎn)、張緊機(jī)構(gòu)和水平懸掛耳片。

前后運(yùn)動自由度約束，即限制模型前后運(yùn)動。限制方法為在模型水平前掛點(diǎn)與水平鋼索的連接上采用固定連接方式。

將水平懸掛鋼索分為水平鋼索和張緊索兩部分。水平鋼索只采用一根，鋼索由后支撐點(diǎn)前面開始，從模型一側(cè)耳片上的兩個(gè)約束孔穿過，繞過水平懸掛系統(tǒng)的前支撐點(diǎn)滑輪，從模型另一側(cè)耳片上的兩個(gè)約束孔穿出，與鋼索起點(diǎn)一起卡緊于一個(gè)連接片上。水平鋼索通過連接片與張緊索連接。張緊索通過后支撐點(diǎn)的轉(zhuǎn)向滑輪向下穿過洞壁，繞過連接張緊彈簧的動滑輪后與固定在洞壁外的電葫蘆連接。水平鋼索在機(jī)身后端懸掛耳片的兩個(gè)孔內(nèi)可自由滑動，只有周向約束。機(jī)身前端懸掛耳片可繞著中心軸旋轉(zhuǎn)5°左右，使得模型具有偏航自由度。

(3) 模型姿態(tài)和位置調(diào)整

見圖2和3，通過橫梁滑動可調(diào)整模型前后位置，通過電葫蘆滑動可調(diào)整模型左右位置，通過電葫蘆操作可調(diào)整模型上下位置。這樣，可根據(jù)模型的大小調(diào)整垂直懸掛點(diǎn)的位置，保證垂直懸掛彈簧都處于垂直狀態(tài)，不給模型帶來附加的水平拉力；同時(shí)，方便調(diào)整模型上下、左右、前后位置。與水平張緊電葫蘆一起，還能方便地實(shí)現(xiàn)模型從試驗(yàn)段中心到平臺上的移動，方便地調(diào)整模型的俯仰和滾轉(zhuǎn)。

(4) 模型上的懸掛點(diǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)垂直和水平懸掛兩組耳片。兩組耳片既可以共用，也可以相互獨(dú)立，見圖1、4?？筛鶕?jù)模型特點(diǎn)選擇懸掛耳片前后位置和高度。

圖4 模型懸掛連接設(shè)計(jì)

2 FSS的技術(shù)特點(diǎn)

這種懸掛的特點(diǎn)是可單獨(dú)改變模型某一方向的自由度而不影響其它方向的自由度：(1) 改變垂直懸掛彈簧的剛度來改變模型沉浮自由度；(2) 改變垂直或水平懸掛點(diǎn)的前后位置調(diào)整俯仰自由度；(3) 改變水平鋼索的拉力調(diào)整橫側(cè)向自由度；(4) 改變水平鋼索的長度調(diào)整偏航自由度；(5) 改變垂直懸掛耳片的高度或改變后兩個(gè)懸掛耳片到模型縱向軸的距離調(diào)整滾轉(zhuǎn)自由度。

3 FSS的參數(shù)選擇

3.1符號說明

模型坐標(biāo)系：原點(diǎn)O位于模型重心，X軸位于模型對稱面內(nèi)，指向機(jī)頭；Y軸位于模型對稱面內(nèi)，垂直X軸指向上方；Z軸按右手法則確定。

a1、a2：模型前、后水平掛點(diǎn)到重心的距離；b1、b2：模型前、后垂直掛點(diǎn)到重心的距離；d：垂直懸掛后鋼索到模型對稱面的距離；G：模型的重量；h：垂直懸掛耳片的高度；IX、IY、IZ：模型的轉(zhuǎn)動慣量；k1、k2：前、后垂直懸掛彈簧的剛度；ktotal：垂直懸掛彈簧的總剛度，ktotal=k1+k2；L：垂直懸掛耳片孔到電葫蘆掛鉤的距離；l1、l2：水平懸掛系統(tǒng)前、后支撐點(diǎn)到模型前、后水平掛點(diǎn)的距離；m：模型的質(zhì)量；Rz：模型Z向的慣性半徑；T：水平鋼索的拉力。

3.2FSS懸掛模型系統(tǒng)頻率計(jì)算

模型沉浮頻率:

模型俯仰頻率:

模型偏航頻率:

模型橫側(cè)向頻率:

模型滾轉(zhuǎn)頻率:

3.3模型掛點(diǎn)及系統(tǒng)參數(shù)選擇

(1) 水平鋼索的拉力應(yīng)在一個(gè)合適的范圍，T太小則模型側(cè)向自由度太大，試驗(yàn)中容易發(fā)生偏航；T太大則模型側(cè)向自由度太小，會影響試驗(yàn)結(jié)果。通常T的范圍在0.25G～0.5G。

(2) 懸掛彈簧的剛度應(yīng)滿足受力和承載要求，其靜伸長量應(yīng)處于中間值，使彈簧能夠處于最佳的工作狀態(tài)，且滿足k2/k1=b1/b2，以使前后懸掛產(chǎn)生的力矩平衡。

(3)fvert應(yīng)小于模型最低階固有頻率的1/3，以避免懸掛系統(tǒng)頻率影響試驗(yàn)結(jié)果。

(4)a1應(yīng)盡可能地大，以增強(qiáng)水平鋼索的約束力；a2可略小，通常使a1/a2=1.2～1.4。

(6)l1應(yīng)滿足l1/l2≥a1/a2，以增大模型的偏航穩(wěn)定性。

4 FSS的性能驗(yàn)證

4.1FSS設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)證

采用一全機(jī)顫振模型在φ3.2m風(fēng)洞進(jìn)行了顫振試驗(yàn)，見圖5。模型為發(fā)動機(jī)尾置布局民用支線飛機(jī)全機(jī)顫振模型。模型質(zhì)量特性和剛度特性取材于一個(gè)翼展27～29m、機(jī)身長度28～30m、最大起飛重量35～40噸的虛擬支線民航飛機(jī)。

模型縮比為1∶14，速度比為1∶5，密度比為3。模型由以下3部分構(gòu)成：(1) 機(jī)身、發(fā)動機(jī)短艙、T型尾翼；(2) 帶有副翼和翼尖小翼的兩邊固定機(jī)翼；(3) 使模型能夠懸掛在FSS上的前后耳片。

模型長2.32m、寬1.98m、高0.49m，m=41.5kg，T=200N，IX=2.1kg·m2，IY=5.1kg·m2，IZ=7.2kg·m2，RZ=0.52m。

FSS初始參數(shù)：l1=8.245m，l2=5.535m；b1=0.49m，b2=0.49m；a1=0.73m，a2=0.49m；h=0.18m，L=5.1m，d=0.136m。

模型前懸掛點(diǎn)采用3個(gè)10kg承載一組的彈簧，每根彈簧的彈性模量為98N/m，則

k1=98×3=294N/m

模型兩個(gè)后掛點(diǎn)各采用3個(gè)5kg承載一組的彈簧，每根彈簧的彈性模量為49N/m，則

k2=49×3×2=294N/m

所以，ktotal=k1+k2=588N/m。

利用上節(jié)公式計(jì)算得到fvert=0.629Hz、fpitch=0.938Hz、fyaw=0.71Hz、fside=0.292Hz、froll=1.084Hz。試驗(yàn)中實(shí)測fvert=0.625Hz、fpitch=1Hz、fyaw=0.75Hz、fside=0.25Hz、froll=1Hz。可見，計(jì)算值與實(shí)測值非常接近。

4.2顫振試驗(yàn)對比結(jié)果

采用同一顫振模型在TsAGI的T-103風(fēng)洞進(jìn)行了對比顫振試驗(yàn)(采用T-103風(fēng)洞的FSS系統(tǒng)懸掛)，見圖5。對比試驗(yàn)狀態(tài)為全機(jī)+副翼自由活動狀態(tài)(無操縱剛度)。

在φ3.2m風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果為：風(fēng)速14m/s時(shí)，發(fā)生副翼偏轉(zhuǎn)+機(jī)翼一階彎扭顫振，顫振頻率6.25Hz。

在T-103風(fēng)洞的試驗(yàn)結(jié)果為：風(fēng)速14m/s時(shí)，發(fā)生副翼偏轉(zhuǎn)+機(jī)翼一階彎扭顫振，顫振頻率約6.0Hz。

由此可見，同一模型在兩個(gè)風(fēng)洞得到的試驗(yàn)結(jié)果是一致的(測量頻率略有差異與不同測試系統(tǒng)的頻率分辨率有關(guān))，因而可以說明，φ3.2m風(fēng)洞的FSS與T-103風(fēng)洞的FSS功效一致。

圖5 φ3.2m風(fēng)洞與T-103風(fēng)洞對比顫振試驗(yàn)

5 結(jié) 論

φ3.2m風(fēng)洞的FSS具有以下特點(diǎn)：

(1) 支撐系統(tǒng)能夠提供模型的五個(gè)自由度：沉浮、俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)、橫側(cè)向；

(2) 支撐系統(tǒng)靈活，可單獨(dú)改變模型某一方向的自由度而不影響其它方向的自由度；

(3) 可方便地調(diào)整模型在風(fēng)洞中的上下、左右、前后位置；

(4) 可方便地調(diào)整模型的迎角和滾轉(zhuǎn)角；

(5) 與T-103風(fēng)洞的FSS功效一致。

綜上，F(xiàn)SS機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，機(jī)構(gòu)小巧，控制靈活，可以應(yīng)用于低速全模顫振試驗(yàn)。

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作者簡介:

唐建平(1976-)，男,湖南茶陵人,助理研究員。研究方向：低速氣動彈性試驗(yàn)技術(shù)。通訊地址: 四川省北川縣129信箱41分箱(622762)。E-mail: tjpatgfkd@163.com