高速風(fēng)洞動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)精準(zhǔn)度提升研究

潘金柱，張杰，才義，徐明

(中航工業(yè)空氣動(dòng)力研究院高速高雷諾數(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110034)

高速風(fēng)洞動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)精準(zhǔn)度提升研究

潘金柱*，張杰，才義，徐明

(中航工業(yè)空氣動(dòng)力研究院高速高雷諾數(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110034)

隨著高機(jī)動(dòng)性飛行器的發(fā)展，準(zhǔn)確獲取飛行器的動(dòng)導(dǎo)數(shù)尤為重要，進(jìn)而對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)的精準(zhǔn)度要求越來越高。然而，在高速風(fēng)洞試驗(yàn)中，由于模型尺寸小、氣動(dòng)載荷大、振動(dòng)幅值小，與低速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)相比，高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)面臨的困難更大。為了提高高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)的試驗(yàn)精準(zhǔn)度，針對(duì)以上特點(diǎn)，對(duì)模型在振動(dòng)過程中的受力情況、振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及信號(hào)干擾等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析與總結(jié)，并應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果顯示高速風(fēng)洞動(dòng)導(dǎo)數(shù)重復(fù)性精度提高至10%以內(nèi)。通過所做的研究工作，高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)得到了提升，同時(shí)，文中對(duì)高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)也做了簡(jiǎn)要介紹。

高速風(fēng)洞;動(dòng)導(dǎo)數(shù);振動(dòng)機(jī)構(gòu);信號(hào)干擾

0 引言

動(dòng)導(dǎo)數(shù)是動(dòng)穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)的簡(jiǎn)稱，是衡量飛行器操縱性與穩(wěn)定性的重要參數(shù)。通常風(fēng)洞中測(cè)量動(dòng)導(dǎo)數(shù)的方法有自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法。強(qiáng)迫振動(dòng)可以較為方便地調(diào)整振動(dòng)頻率和振幅，以研究頻率和振幅對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，故在動(dòng)導(dǎo)數(shù)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用［1-5］。

國(guó)外已建立了相對(duì)成熟的基于自由振動(dòng)法和強(qiáng)迫振動(dòng)法的動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)?zāi)芰Γ囼?yàn)精度在10%左右。國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)的研究經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，由科研轉(zhuǎn)入了生產(chǎn)領(lǐng)域，測(cè)量精度在15%以內(nèi)。但隨著高機(jī)動(dòng)性以及飛翼布局飛行器的發(fā)展，飛行品質(zhì)和動(dòng)穩(wěn)定性問題越來越受到重視，從而對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)的試驗(yàn)精準(zhǔn)度要求越來越高［6-7］。

由于高速?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)由來已久，文中沒有對(duì)該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)、全面的介紹，而是對(duì)試驗(yàn)中面臨的一些問題進(jìn)行了分析，并應(yīng)用于型號(hào)試驗(yàn)中。

1 動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)精準(zhǔn)度提升研究

1.1 高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)特點(diǎn)

高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)作為一項(xiàng)特種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)，一直是風(fēng)洞試驗(yàn)中的一個(gè)難點(diǎn)。普遍存在著試驗(yàn)精度低、試驗(yàn)范圍小(迎角和側(cè)滑角都不太大)、試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑我罂量痰葐栴}，這些極大地限制了高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)技術(shù)在型號(hào)飛機(jī)上的工程應(yīng)用。由于試驗(yàn)技術(shù)的限制，相對(duì)于低速動(dòng)導(dǎo)數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)來說，型號(hào)飛機(jī)高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)較少開展。

高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)與低速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)相比，在振動(dòng)方式上有所不同:高速振動(dòng)方式是尾支桿固定不動(dòng)，模型相對(duì)于尾支桿做振動(dòng)，而低速是支桿與模型一起振動(dòng)。高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)的振動(dòng)方式導(dǎo)致高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)具有先天不足［8］:

1)模型振動(dòng)幅值不能太大。動(dòng)態(tài)力所占的比重較小，對(duì)于測(cè)量來說，被測(cè)量的值越小，測(cè)量精度就越差;

2)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器置于尾部支架內(nèi)，且驅(qū)動(dòng)器是大功率電源，而天平輸出信號(hào)為小信號(hào)，兩者距離較近，必定產(chǎn)生信號(hào)干擾問題;

3)振動(dòng)機(jī)構(gòu)空間小，模型載荷大，振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工難度大。

1.2 振動(dòng)中的受力分析

圖1為高速風(fēng)洞中的動(dòng)導(dǎo)數(shù)俯仰振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，以此為例進(jìn)行動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中的受力情況進(jìn)行分析。動(dòng)導(dǎo)數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)中，模型受到的力(力矩)為:天平作用于模型上的力(力矩)、模型自身慣性力矩、氣動(dòng)力。這里，將氣動(dòng)力分為兩部分，一部分是靜態(tài)氣動(dòng)力，另一部分為動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力

模型振動(dòng)方程為:

其中，I—慣性矩;

c—機(jī)械阻尼;

K—系統(tǒng)彈性力系數(shù)。

圖1 高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Oscillation mechanism of high-speed w ind tunnel dynam ic stability derivatives measurement system

以模型為受力分析對(duì)象，則模型感受到的力(力矩)為:靜態(tài)氣動(dòng)力、動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力(及阻尼)和天平對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)力矩。

對(duì)于剛性振動(dòng)系統(tǒng)，以下分析中忽略機(jī)械阻尼和系統(tǒng)剛度，模型振動(dòng)方程變?yōu)?

將模型受力分為4種情況，如圖2所示:

a)模型氣動(dòng)靜穩(wěn)定，同時(shí)動(dòng)穩(wěn)定;

b)模型氣動(dòng)靜穩(wěn)定，但動(dòng)不穩(wěn)定;

c)模型氣動(dòng)靜不穩(wěn)定，但動(dòng)穩(wěn)定;

d)模型氣動(dòng)靜不穩(wěn)定，同時(shí)動(dòng)不穩(wěn)定。

圖2 模型4種受力情況Fig.2 Four kinds of force analysis

由以上分析可以看出慣性力矩所占的比重大，這樣就導(dǎo)致了相位角(天平測(cè)力得的力矩和振動(dòng)角度之間的相位角)都在180°附近。也就是說動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)力所占的比重比較小，所以，從測(cè)量的角度來說，在大量中提取小量，必定制約試驗(yàn)的精準(zhǔn)度。

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)模型的靜態(tài)氣動(dòng)載荷情況、模型慣性矩情況以及合理估算動(dòng)態(tài)氣動(dòng)載荷來預(yù)判和設(shè)計(jì)相位差，將有助于提升試驗(yàn)測(cè)量精度。

1.3 振動(dòng)機(jī)構(gòu)研究

振動(dòng)機(jī)構(gòu)的好壞是動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵［9-12］。圖3給出良好的振動(dòng)機(jī)構(gòu)俯仰角度隨時(shí)間的變化曲線，從中可以看出振動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn):

1)振動(dòng)角度呈現(xiàn)良好的正弦規(guī)律;

2)振動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載能力強(qiáng)，在氣動(dòng)載荷作用下，振動(dòng)角度幅值變化很小。

振動(dòng)機(jī)構(gòu)好壞的關(guān)鍵在于:機(jī)構(gòu)間隙的合理控制和振動(dòng)機(jī)構(gòu)中彈性恢復(fù)力的合理設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)間隙對(duì)振動(dòng)的影響從兩方面來控制:

1)選用合理的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換形式，使振動(dòng)曲線對(duì)間隙敏感度降低;

2)機(jī)械加工中提高加工精度，合理控制間隙。

以上兩方面工作都存在一定的局限性，由于運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)尺寸小，加工精度的提高是有限的，而且機(jī)構(gòu)所受氣動(dòng)載荷大，長(zhǎng)期試驗(yàn)還存在運(yùn)動(dòng)部件磨損問題。彈性恢復(fù)力的設(shè)計(jì)也存在著限制，彈性恢復(fù)力矩過小，機(jī)構(gòu)振動(dòng)比較“松散”，振動(dòng)曲線規(guī)律不好，且重復(fù)性差;而彈性恢復(fù)力矩過大的話，會(huì)給驅(qū)動(dòng)器增加額外的負(fù)擔(dān)。所以，彈性恢復(fù)力矩的合理設(shè)計(jì)也是振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

圖3 俯仰角振動(dòng)曲線Fig.3 Angle of pitch oscillating test result

由于動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中的核心是振動(dòng)機(jī)構(gòu)，而現(xiàn)有的振動(dòng)機(jī)構(gòu)總是存在一定的間隙影響，對(duì)試驗(yàn)重復(fù)性精度存在不利影響。那么，是否能采用一種全新的振動(dòng)形式，徹底消除現(xiàn)有振動(dòng)機(jī)構(gòu)中的間隙影響問題呢?隨著新型材料的發(fā)展與應(yīng)用，可以采用一些新的驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器具有自身彈性的特點(diǎn)，可以在運(yùn)動(dòng)傳遞過程中實(shí)現(xiàn)無間隙傳遞，從而大大提高振動(dòng)的精度。

1.4 信號(hào)干擾問題研究

信號(hào)干擾一直是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中一個(gè)很棘手的問題［12-13］，通常采用的方法有:

1)通過濾波手段消除干擾信號(hào);

2)增加采樣周期，通過加大數(shù)據(jù)量來盡量減少隨機(jī)誤差。

以上方法都存在著一定的缺點(diǎn)，濾波方法會(huì)帶來數(shù)據(jù)的失真，增加采樣周期的方法作用有局限性。對(duì)很多試驗(yàn)來說，把采樣周期增大到一定限度之后，對(duì)測(cè)量精度就幾乎沒有影響了，而且，在風(fēng)洞試驗(yàn)中大量的增加采樣周期是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槟菍⒋蟠笤黾哟碉L(fēng)時(shí)間，額外增加運(yùn)行成本。

動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中，最關(guān)鍵的采集信號(hào)就是振動(dòng)角度信號(hào)和天平測(cè)得的氣動(dòng)載荷信號(hào)。圖4給出角度信號(hào)和力矩信號(hào)隨時(shí)間變化圖，從中可以看出，角度信號(hào)的規(guī)律明顯要比力矩信號(hào)要好。兩者置于同一個(gè)工作環(huán)境下，所受到的干擾信號(hào)是一樣的，角度信號(hào)好的原因在于角度信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，也就是說角度信號(hào)的信噪比高于力矩信號(hào)。所以說提高天平的輸出信號(hào)，從而提高信號(hào)的信噪比是降低干擾的有效手段。

圖4 俯仰角和俯仰力矩振動(dòng)曲線Fig.4 Angle and moment of pitch oscillating curve

從兩個(gè)方面來提高信噪比，一是增大天平信號(hào)的輸出;二是隔離干擾信號(hào)對(duì)天平信號(hào)的干擾。圖5給出同一個(gè)振動(dòng)機(jī)構(gòu)不同天平的輸出信號(hào)，可以看出，不同的天平測(cè)得的力矩信號(hào)曲線形式有所差別，天平1的信號(hào)波形明顯要好于天平2，而振動(dòng)過程中，兩次試驗(yàn)的角度信號(hào)幾乎是一致的，曲線形式差別很小，這樣可以看出天平信號(hào)波形的差異是由于干擾信號(hào)帶來的，由于不同的天平抗干擾能力不一樣，導(dǎo)致了輸出信號(hào)波形有所差異。

圖5 兩種天平信號(hào)輸出對(duì)比Fig.5 Out-put signal of two kinds of balance

機(jī)構(gòu)振動(dòng)過程中，對(duì)天平信號(hào)的主要干擾是驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)對(duì)天平信號(hào)的干擾很強(qiáng)，地面振動(dòng)試驗(yàn)中可以看出，不對(duì)電機(jī)干擾進(jìn)行任何隔絕處理的話，天平輸出信號(hào)很亂，幾乎看不出明顯的波形。經(jīng)過一些特殊的隔絕處理之后，電機(jī)對(duì)天平信號(hào)的干擾可以大大降低，圖6給出天平俯仰力矩元信號(hào)在不同情況下的波動(dòng)情況，可見經(jīng)過特殊隔絕處理之后，天平信號(hào)的波動(dòng)量大大降低。

圖6 天平信號(hào)受干擾情況Fig.6 Interference on the balance signal

2 試驗(yàn)結(jié)果

在某型號(hào)試驗(yàn)中，全新設(shè)計(jì)了一套動(dòng)導(dǎo)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，將振動(dòng)分析中的受力情況應(yīng)用于動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)方案應(yīng)用中，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮了振動(dòng)間隙的合理控制以及對(duì)彈性恢復(fù)力矩原件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用了降低信號(hào)干擾的手段，試驗(yàn)取得了良好的效果。

運(yùn)用到某型號(hào)導(dǎo)彈動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中，其滾轉(zhuǎn)振動(dòng)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果如圖7。小迎角范圍內(nèi)，動(dòng)導(dǎo)數(shù)重復(fù)性精度達(dá)到10%以內(nèi)，并與前期某型號(hào)飛機(jī)滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)結(jié)果比較(圖8)，可以明顯看出本期試驗(yàn)重復(fù)性更好，說明經(jīng)過上述改善措施后，試驗(yàn)精度有了一定程度的提高。

圖7 Ma=0.8，f=12導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果(本期)Fig.7 Ma=0.8，f=12，dynam ic stability derivatives of the m issile model(present)

圖8 Ma=0.8，f=12機(jī)滾轉(zhuǎn)阻尼導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果(前期)Fig.8 Ma=0.8，f=12，dynam ic stability derivatives of the airp lane m odel(earlier)

3 結(jié)論

本文通過對(duì)模型在振動(dòng)過程中的受力情況進(jìn)行理論分析、振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及信號(hào)干擾抑制等問題的詳細(xì)分析與總結(jié)，并針對(duì)性地對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高信噪比等各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，提升了高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)度，以滿足型號(hào)試驗(yàn)需求［13-14］。

未來高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)技術(shù)的發(fā)展方向主要在兩個(gè)方面:一是提高現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量精準(zhǔn)度;二是開發(fā)新的試驗(yàn)設(shè)備，擴(kuò)大試驗(yàn)應(yīng)用范圍。

隨著飛行器的發(fā)展，模型外形更趨多樣化，傳統(tǒng)的高速動(dòng)導(dǎo)數(shù)振動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求，比如大長(zhǎng)細(xì)比的導(dǎo)彈模型在風(fēng)洞中無法實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航振動(dòng)，需要去開發(fā)新的振動(dòng)機(jī)構(gòu)以滿足試驗(yàn)要求。

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Investigation on the high-speed w ind tunnel dynam ic derivative test accuracy promotion

Pan Jinzhu*，Zhang Jie，Cai Yi，Xu Ming
(China Aerodynamics Research Institute of Aeronautics，Key Labratory of High Speed and High Reynolds，Shenyang 110034，China)

Accurate dynamic derivative is particularly important with the development of modern high-maneuverability flying vehicles.The requirement of dynamic derivative wind-tunnel test technique is much stricter in precision and accuracy nowadays.High-speed dynamic derivative tests face more difficulties compared to low-speed ones due to small size of the model and high aerodynamic loads，small oscillation amplitude.According to the characteristics mentioned above，stress situation study during model oscillation，oscillation mechanism design and signal interference are analyzed and summarized in details，which are all applied on production test model in the wind tunnel.The results showed that the high-speed wind tunnel dynamic derivative repeatability increase to less than 10%.Through the research work done，the high-speed dynamic stability derivatives measurement technique has been improved.Also the developing trendy of the high-speed dynamic stability derivatives measurement test technique is briefly presented.

high speed wind tunnel;dynamic stability derivatives;oscillation mechanism;signal interference

V211.7

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0110

0258-1825(2016)05-0606-05

2015-10-22;

2016-02-08

潘金柱*(1976-)，男，高級(jí)工程師，研究方向:高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù).E-mail:13804990228@163.com

潘金柱，張杰，才義，等.高速風(fēng)洞動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)精準(zhǔn)度提升研究［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34(5):606-610.

10.7638/kqdlxxb-2015.0110 Pan J Z，Zhang J，Cai Y，et al.Investigation on the high-speed wind tunnel dynamic derivative test accuracy promotion［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):606-610.