高速風(fēng)洞鉸鏈力矩天平進(jìn)展

潘華燁, 王樹民, 苗磊, 王 超, 賈 巍

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

0 引言

模型操縱面鉸鏈力矩測(cè)力試驗(yàn)是飛行器設(shè)計(jì)階段主要的風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目之一,其目的是為了預(yù)測(cè)飛行器各操縱面的氣動(dòng)力以及相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的鉸鏈力矩的大小,為操縱裝置選擇以及舵面形狀設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1-2]。天平是鉸鏈力矩測(cè)力試驗(yàn)成功的關(guān)鍵,通常模型操縱面都很薄,天平布置空間小,而且飛行器模型外形尺寸以及舵面的類型是多種多樣的,因此用于測(cè)量舵面鉸鏈力矩的天平形式及其與模型的連接方法也是各種各樣的,必須針對(duì)具體的模型和試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)專用的鉸鏈力矩天平[3]。

高速風(fēng)洞鉸鏈力矩天平結(jié)構(gòu)主要有兩種形式:桿式結(jié)構(gòu)和片式結(jié)構(gòu)。

1 桿式鉸鏈力矩天平

桿式天平具有結(jié)構(gòu)緊湊,設(shè)計(jì)成熟度高,測(cè)量結(jié)果誤差小,方便安裝等優(yōu)點(diǎn),是鉸鏈力矩試驗(yàn)最先考慮的天平類型,主要用于彈類舵以及部分飛機(jī)操縱面的氣動(dòng)力測(cè)量。桿式鉸鏈力矩天平受安裝方法限制,精準(zhǔn)度比常規(guī)測(cè)力試驗(yàn)桿式天平略低,不確定度一般在5‰以內(nèi)。桿式鉸鏈力矩天平根據(jù)安裝方式一般分為橫軸式和縱軸式。

1.1 橫軸式鉸鏈力矩天平

桿式天平軸線與所測(cè)舵面的鉸鏈軸重合時(shí),容易實(shí)現(xiàn)舵面角度的變換,而且力矩參考點(diǎn)與舵面鉸鏈軸重合,所測(cè)鉸鏈力矩不用進(jìn)行修正,是最常用也最簡(jiǎn)單的鉸鏈力矩測(cè)量方法,一般將天平設(shè)計(jì)為3分量或者5分量,主要測(cè)量舵面的法向力Y、鉸鏈力矩Mj和繞x軸的力矩Mx,舵偏角較大時(shí),還需要測(cè)量舵面阻力x和繞y軸的彎矩My。圖1給出了某鉸鏈力矩試驗(yàn)的天平安裝示意圖,其中采用了兩臺(tái)五分量橫軸式天平完成兩個(gè)舵面的測(cè)量。

圖2給出了4種天平軸線與鉸鏈軸重合的橫軸式天平。通常為避免坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,采用天平和舵面一起轉(zhuǎn)動(dòng)的方法,天平和舵面可以加工為一體(天平A、天平B和天平D),也可以分開加工(天平C)。當(dāng)然也可以固定天平,只改變舵面角度進(jìn)行試驗(yàn),但是這種情況下需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行軸系轉(zhuǎn)換。天平測(cè)力梁的設(shè)計(jì)與常規(guī)桿式天平類似,主要有分段式(天平A)和一體式(天平B)。還有一種單分量橫軸式天平(天平D),通過使用軸承以及對(duì)稱元件結(jié)構(gòu)抵消掉除鉸鏈力矩以外的力和力矩,以達(dá)到測(cè)量力矩的目的。

1 測(cè)量舵A;2 鉸鏈力矩天平A;3 銅套A;4 變角塊A;5 拉緊螺栓A;6 拉緊螺栓B;7 變角塊B;8 銅套B;9 鉸鏈力矩天平B;10 測(cè)量舵B圖1 某鉸鏈力矩試驗(yàn)天平安裝示意圖

圖2 四種橫軸式天平

有些操縱面轉(zhuǎn)動(dòng)軸靠近模型表面或者在模型以外(比如減速板等),天平軸不能與轉(zhuǎn)動(dòng)軸重合,這時(shí)會(huì)考慮天平軸與轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行的方法[4-5],通常采用固定天平進(jìn)行測(cè)力的方法,天平和舵面之間通過一個(gè)轉(zhuǎn)接套連接,需要加工多個(gè)不同角度舵面以達(dá)到變換舵偏角的目的(見圖3),圖4給出了一臺(tái)包含連接套的鉸鏈力矩天平。若需要天平與舵面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),在不同角度時(shí),由于不同軸造成舵面面積變化,需要對(duì)舵面設(shè)計(jì)補(bǔ)償片。

1.2 縱軸式鉸鏈力矩天平

當(dāng)不方便布置橫軸式天平或者試驗(yàn)需要測(cè)量較多分量的時(shí)候,可以考慮將天平放置在飛行器空間較大的腔體內(nèi),天平軸一般與測(cè)量舵的鉸鏈軸垂直以方便數(shù)據(jù)處理[6]。圖5是一臺(tái)常用的縱軸式天平,其左端與模型固連,右端上側(cè)與舵面連接?？v軸式天平也會(huì)用于較大翼面的測(cè)量,圖6給出了一種采用縱軸式天平測(cè)量機(jī)翼氣動(dòng)力的方法。

圖3 天平與測(cè)量舵連接方法

圖4 包含連接套的鉸鏈力矩天平

縱軸式天平測(cè)量鉸鏈力矩主要通過桿式天平的彎曲變形來獲得,通常設(shè)計(jì)為6分量或者不測(cè)量天平軸向力的5分量。由于天平中心距離鉸鏈軸有一段距離,鉸鏈力矩的修正量一般大于測(cè)量量,特別在鉸鏈力矩較小時(shí)誤差較大,所以對(duì)于鉸鏈力矩較小的試驗(yàn),可以采用圖7所示的組合式微量鉸鏈力矩天平測(cè)量方案,將一臺(tái)輪轂式單分量微量鉸鏈力矩天平(見圖8)和一臺(tái)縱軸式天平組合在一起進(jìn)行測(cè)量[7],就可以達(dá)到既能準(zhǔn)確測(cè)量鉸鏈力矩,又可以測(cè)量法向力等其他分量的目的,圖9給出了一臺(tái)一體加工的組合式鉸鏈力矩天平圖片。

圖9 組合式鉸鏈力矩天平

1.3 FL-31風(fēng)洞鉸鏈力矩天平隔熱措施

FL-31風(fēng)洞是一座暫沖式高超聲速風(fēng)洞,常用馬赫數(shù)5～10,總溫350～1 100 K,所用的天平需要考慮溫度影響。為了在高溫環(huán)境下測(cè)力,天平粘貼應(yīng)變計(jì)采用了中溫型自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì),其溫度適用范圍為-269～260 ℃,并在天平外部使用了3840環(huán)氧酚醛玻璃布保護(hù)罩用于隔熱(見圖10)。另外,模型在試驗(yàn)中進(jìn)入流場(chǎng)采用投放方式,即在流場(chǎng)建立后,再將模型上升到流場(chǎng)中,模型在流場(chǎng)中時(shí)間較短(一般為90 s),而鉸鏈力矩試驗(yàn)中天平布置在模型內(nèi)部,天平在試驗(yàn)過程中的溫度變化小于1 ℃,通過控制試驗(yàn)間隔時(shí)間,天平體最高溫度不高于160 ℃。為提高天平性能,需要對(duì)電橋進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償和靈敏度補(bǔ)償,但是校準(zhǔn)一般在常溫下進(jìn)行,溫度對(duì)天平準(zhǔn)度的影響小于2.0‰。

圖10 帶隔熱罩的鉸鏈力矩天平

2 片式鉸鏈力矩天平

一般的戰(zhàn)斗機(jī)和大飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?正?？s比后機(jī)翼、垂尾等部件的后緣舵比較薄,無法安裝桿式天平,通常采用片式天平對(duì)其鉸鏈力矩及氣動(dòng)力進(jìn)行測(cè)量。片式天平一般設(shè)計(jì)為三分量或者四分量,主要測(cè)量操縱面的法向力y和繞鉸鏈軸的鉸鏈力矩Mj,以及繞x軸的力矩Mx,四分量天平還可以測(cè)量舵面阻力。另外還有一種使用軸承的單分量鉸鏈力矩天平,實(shí)際使用較少。

2.1 三分量片式天平

傳統(tǒng)三分量片梁結(jié)構(gòu)天平(圖11)是使用最為廣泛的片式鉸鏈力矩天平,一端與模型安定面固定,另一端與舵面連接,試驗(yàn)時(shí)天平保持固定,不跟隨舵面轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。有時(shí),天平與舵面連接端分開設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致連接強(qiáng)度不足,這時(shí)可以將天平跟舵面加工成一體,但是有多個(gè)舵面就需要加工多臺(tái)天平(圖12)。

圖11 傳統(tǒng)三分量鉸鏈力矩天平

傳統(tǒng)三分量片式天平設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,方便布置,但是有一些缺陷:由于天平直接固定在機(jī)翼等翼面上,試驗(yàn)中翼面會(huì)因?yàn)槌惺軞鈩?dòng)力而產(chǎn)生變形,天平固定端跟隨產(chǎn)生變形,從而影響天平對(duì)舵面氣動(dòng)力的測(cè)量,通常需要在機(jī)翼上設(shè)計(jì)翼面變形修正單元(圖13),并測(cè)出模型變形對(duì)天平各單元的影響系數(shù),對(duì)天平數(shù)據(jù)進(jìn)行修正;天平固定端、測(cè)量梁和懸臂端一般都位于翼型弦向,安裝會(huì)造成模型剛度變化較大,而且由于舵面離天平固定端較遠(yuǎn),試驗(yàn)中鉸鏈軸偏移大,對(duì)模型縫隙的設(shè)計(jì)帶來難度,還需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正[9];天平元件多為薄片梁結(jié)構(gòu),截面寬高比較大,受到不同位置載荷時(shí),天平貼片處的應(yīng)變呈現(xiàn)非線性,影響天平的精準(zhǔn)度,該類天平的靜校不確定度一般在1%～3%之間。

圖12 三分量鉸鏈力矩天平(帶舵)

圖13 翼面變形修正單元

對(duì)傳統(tǒng)片梁結(jié)構(gòu)天平進(jìn)行了改進(jìn),將測(cè)量梁分割成若干個(gè)高度和寬度相近的矩形梁,并且在每個(gè)矩形梁上都貼上應(yīng)變計(jì)(見圖14),組成多個(gè)電橋,相當(dāng)于多臺(tái)矩形梁天平組合,可以有效提高天平性能,天平的不確定度可以控制在1%以內(nèi)[10]。

圖14 多柱梁型片式天平

2.2 四分量片式天平

為解決由于安裝天平造成翼面剛度變?nèi)踺^多的問題,并結(jié)合柱梁測(cè)力優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)出兩側(cè)固支的鉸鏈力矩天平(見圖15)。天平用一整塊金屬材料(00Ni18Co8Mo5TiAi)制成,天平中部設(shè)計(jì)連接段與測(cè)量舵連接,左右兩懸臂端與模型安定面連接,測(cè)量敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在中央連接段兩側(cè),整個(gè)結(jié)構(gòu)類似于單支撐雙天平結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)三分量片式天平相比,機(jī)翼橫截面破壞明顯減少(圖16),剛度相對(duì)較好[11-12]。此外,天平的柱梁一般與舵面阻力方向垂直,只要在柱梁側(cè)面貼片就可以達(dá)到測(cè)量阻力的目的,這對(duì)于大攻角舵面的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確修正是非常有利的。

圖15 兩側(cè)固支的四分量鉸鏈力矩天平

圖16 四分量天平與三分量天平安裝對(duì)比

但是采用天平兩側(cè)固支的方法依然需要修正機(jī)翼變形對(duì)天平的影響,于是設(shè)計(jì)了中間固定的四分量天平(見圖17),將天平與模型安定面的連接端放到天平中間位置,兩側(cè)用來與測(cè)量舵連接,很好的解決了這一問題,安裝示意圖如圖18所示。粘貼方法與兩側(cè)固支的四分量鉸鏈力矩天平相同,圖22給出了粘貼及組橋方法,在天平每個(gè)矩形梁上都粘貼了應(yīng)變計(jì),組成多個(gè)橋路并通過組合方法進(jìn)行測(cè)力,該方法有利于增大輸出。

四分量片式天平均采用柱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量,精準(zhǔn)度較高,通常阻力的校準(zhǔn)不確定度小于2%,其他單元校準(zhǔn)不確定度小于0.5%。

2.3 單分量片式天平

有時(shí),比如在模型翼尖部分過于薄弱的情況下,難以布置上面所介紹的鉸鏈力矩天平,則會(huì)用一種使用軸承的單分量天平。單分量天平及其與舵面的連接形式如圖20所示,將測(cè)量舵穿入天平軸孔后,通過角度儀或者固定角度楔調(diào)整好角度,再擰緊抱緊螺釘就可以將測(cè)量舵和天平固連成一個(gè)整體,舵面通過3個(gè)軸承以“門鉸”的方式安裝到模型機(jī)翼上,這樣舵面只有一個(gè)繞舵軸旋轉(zhuǎn)的自由度,從而天平只感受到舵面的鉸鏈力矩。由于單分量天平安裝位置與測(cè)量舵后面的薄弱位置錯(cuò)開,所以比較方便布置。

圖17 中間固支的四分量鉸鏈力矩天平

圖18 中間固定的四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

Y=M1+M2+M3+M4,Mz=M1+M2-M3-M4,MJ=M1-M2+M3-M4,X=M5圖19 中間固定的四分量鉸鏈力矩天平安裝示意圖

單分量天平轉(zhuǎn)軸與鉸鏈軸重合,不存在試驗(yàn)中轉(zhuǎn)軸變化需要修正的問題,而且由于測(cè)量舵基本可以相對(duì)于天平任意轉(zhuǎn)動(dòng),所以可以只用一個(gè)測(cè)量舵和一臺(tái)天平就達(dá)到多個(gè)舵偏角測(cè)量的目的。但是單分量天平在安裝時(shí)需要在翼尖處放置軸承,一般需要破壞模型外形,會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響,另外無法獲得氣動(dòng)力大小及壓心位置。天平校準(zhǔn)采用多點(diǎn)單元校準(zhǔn)并進(jìn)行擬合的方法,校準(zhǔn)不確定度約為0.5%。

圖20 單分量天平

3 靜態(tài)校準(zhǔn)

鉸鏈力矩天平校準(zhǔn)主要在高速所的BCL-3500和BCL-10000靜態(tài)校準(zhǔn)架上完成,這兩個(gè)校準(zhǔn)架都是兩自由度準(zhǔn)體軸系設(shè)計(jì),需要通過人工搬運(yùn)砝碼的方式進(jìn)行校準(zhǔn)(圖21～圖22)。天平校準(zhǔn)坐標(biāo)系一般采用測(cè)量舵坐標(biāo)系,校準(zhǔn)中心要盡可能設(shè)置在鉸鏈軸上[13]。校準(zhǔn)完成后,一般需要將天平及舵面安裝至模型進(jìn)行檢驗(yàn),除了檢查天平的準(zhǔn)度外,還需要根據(jù)風(fēng)洞啟動(dòng)(關(guān)閉)時(shí)的最大沖擊載荷檢驗(yàn)縫隙是否足夠以及各部件連接的可靠度。

圖21 BCL-3500校準(zhǔn)架校準(zhǔn)照片

圖22 BCL-10000校準(zhǔn)架校準(zhǔn)照片

4 結(jié)束語

經(jīng)過40多年的發(fā)展,中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所的應(yīng)變式鉸鏈力矩天平技術(shù)已經(jīng)比較成熟,不僅能夠滿足絕大多數(shù)飛行器舵面鉸鏈力矩試驗(yàn)的需求,而且具有較好的測(cè)試性能。但是在天平精準(zhǔn)度進(jìn)一步提升、真實(shí)模型縫隙模擬、精確數(shù)據(jù)修正、連接形式改進(jìn)以及發(fā)展校準(zhǔn)技術(shù)等方面還需要做進(jìn)一步研究。

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