复合式结构微量滚转力矩六分量天平研究

微量滚转力矩测力试验是一项非常重要的风洞试验。相对于常规测力试验,微量滚转力矩测力试验的滚转力矩载荷小,量值在0.5N·m以下,同时滚转力矩载荷与其它的气动载荷量值相差较大,采用应变天平测量微量滚转力矩,很难实现六分量天平结构设计。针对这一问题我们开展了六分量微量滚转力矩天平的研究工作,通过优化天平结构,在现有技术手段的基础上提出了复合式六分量天平结构设计解决方案,不仅实现了六分量微量滚转力矩天平结构设计,而且其滚转力矩系数mx0的测量误差Δmx0<1.1×10-6。本文主要介绍了复合式六分量微量滚转力矩天平研究的关键技术及主要技术措施,并给出了天平分析计算、静态校准和试验测量结果。     

带气浮轴承的小滚转力矩气动天平的研制

为测量滚转力矩为g·cm量级的小不对称烧蚀弹头的滚转力矩系数 ,采用了以气浮轴承支撑模型 ,用天平来测量模型上的滚转力矩的测量方法。天平的设计载荷为 0 0 2N·m。试验表明 :所研制的气浮天平既具有常规天平经济、直观的优点 ,同时又具有比常规小滚转力矩天平高一个量级的测量精度 ,能用于 1 0 - 6级测量。     

FL-26风洞条带悬挂支撑内式天平研制

FL-26风洞条带悬挂支撑内式六分量天平采用管状结构的试验方案,有效地解决了天平的静校问题;天平内腔采用扁圆结构,有效地解决了天平轴向力元件处的强度和刚度问题,较好地降低了前后测量梁上下应变不对称的程度,同时增大了侧向力及偏航力矩的输出;用关于天平轴向对称布置的双铰链梁测量滚转力矩,提高了滚转力矩分量的测量精准度.本文主要介绍条带悬挂支撑内式六分量天平研制难点、解决方案及天平动校结果.     

带五分量抑制机构的高精度滚转力矩测量技术

滚转通道是飞行器控制的重要通道,且在试验中滚转单元受天平其它元干扰较大.为了准确测量滚转力矩,特别开发了带五分量抑制机构的高精度滚转测量技术.该技术设计原理是通过带机械深沟球轴承的抑制机构对除滚转力矩外的五个分量进行抑制.该技术一方面具有较高的滚转力矩测量灵敏度,另一方面能够有效抑制除滚转力矩外的其它五个分量,从而得到准确滚转力矩信号.     

一种高灵敏度滚转力矩天平元件的综合设计法

本文针对半自由飞动导数实验对天平元件提出的升力、侧向力、俯仰力矩和偏航力矩大,而滚转力矩要很小,并要有较高灵敏度的特殊要求,应用目前出现的一些新的设计思想和设计方法,提出了一种高灵敏度天平元件综合设计新方法。该方法能够全面地分析和综合各因素对天平性能的影响,有效地提高天平元件设计质量并缩短设计周期,还能够有针对性地提高单向设计指标,以满足特殊实验要求。文中同时给出了矩形截面扭转系数拟合算法和滚转力矩天平元件优化设计算法。     

高超声速风洞流场中的气流旋转影响及消除

风洞实验需要高品质的来流，但部分高超声速风洞由于加热器特性可能导致流场中存在气流旋转，为了消除或减小旋转，提出了在风洞稳定段前加入反向旋转气流来抵消气流旋转的思路。为验证该思路及了解高超声速流场中旋转程度总体效应，设计了一种带翼模型和高精度滚转力矩天平。在Φ0.3m高超声速低密度风洞中进行了M6、总压约2×105Pa、氮气常温时（电弧加热器不通电）多种进气条件下的滚转力矩测量实验，结果表明流场中存在旋转，滚转力矩系数C_l最大为1.657×10-3，采用约2%总流量的反向气流可达到滚转力矩系数降低2个数量级的效果，为提高风洞流场品质提供了较为有效的解决措施。     

套筒式张线天平的研制

根据民机张线测力试验的特殊要求,研制了一台套筒结构形式的张线天平.详细介绍了该天平在研制中遇到的难点、关键技术的解决措施以及研制的结果.天平元件布置在φ58mm的外套筒上,内杆直径为φ44mm,外套筒和内杆通过楔块焊接在一起.法向力、俯仰力矩和滚转力矩为拉压变形,横向力和偏航力矩为“S”形变形,轴向力为弯曲变形,元件支撑部分受拉压变形且刚度较强.通过对天平进行有限元分析,在法向力和俯仰力矩作用下,得出的应变结果与实际输出基本吻合.风洞试验结果表明:天平设计合理,天平外套筒、内杆及张线支撑系统刚度好,天平各分量测量精度高.     

小不对称再入体滚转气动力测量技术

为了解决小不对称再入体滚转气动力测量问题 ,北京空气动力研究所研制开发了以空气轴承为核心的滚转气动力测量技术 ,利用空气轴承自身旋转阻尼非常小的特点 ,使模型做自由滚转运动 ,一个特殊设计的非接触的光学测量系统测出模型的转角随时间的历程 ,用参数拟合的方法得到滚转力矩的大小和方向。为验证该项实验技术的正确性与可靠性 ,在5 0 0高超声速风洞中对 4个模型进行了吹风实验 ,吹风马赫数为 5 ,测量滚转力矩系数Cl0 和滚转阻力矩系数Clp。实验结果表明 ,该文方法数据合理 ,并较其它方法更具有鲁棒性。     

单固支带阻力元片式铰链力矩天平研制

受大展弦比试验模型和天平结构条件限制，在高速风洞中采用传统结构的片式铰链力矩天平难以实现对操纵舵气动力的精确测量，其主要原因是传统片式铰链力矩天平无阻力测量单元，无法测量阻力，使得阻力对铰链力矩测量的干扰无法修正，同时传统结构的片式铰链力矩天平在试验中受机翼变形影响较大，影响试验数据精准度。针对这一问题，在中国空气动力研究与发展中心高速所开展了单固支带阻力元片式铰链力矩天平结构设计研究，并成功应用于某飞机模型舵面铰链力矩测力试验。校准数据以及试验结果表明，该天平能够有效测量阻力，基本消除了机翼变形对测量的影响，同时还可以减小附加力矩，增加天平载荷匹配性，有效提高试验数据质量。     

升降副翼铰链力矩实验技术研究

本文介绍了一种升降副翼铰链力矩实验技术研究的进展情况。采用弹簧片铰链力矩天平所作的标模实验表明,所测升降副翼的铰链力矩特性与文献值基本一致,各导数值随 M 数的变化趋势合理,天平工作性能稳定,测量精度较高,实验技术是成功的。     

基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究

传统的大展弦比机翼片式铰链力矩天平在应用过程中存在测量精准度不高的问题。该问题由机翼受载变形引发的附加干扰信号产生。针对此现象，为提高大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩风洞试验数据的精度与准度，探索了一种"利用一组信号修正天平信号"的外置电桥修正法，详细阐述了其工作原理以及方法步骤。以某型号风洞试验为例，通过在机翼上布置外置电桥，将修正后测量结果与未修正的测量结果进行对比。由对比结果可知:未经信号修正的天平测量误差最高达到54%，将信号修正后其测量误差降低为6%，天平测量准度有所提高。本研究为大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩天平的应用提供新思路。     

高超声速风洞铰链力矩试验技术研究进展

针对高超声速风洞铰链力矩试验比低速和高速风洞铰链力矩试验模型尺寸更小、温度效应和缝隙窜流影响更大,试验难度更大的特点,“十一五”以来,在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所的Ф1 m高超声速风洞上开展了高超声速铰链力矩试验技术研究工作。先后发展了基于纵轴式、横轴式以及其他布局方式的天平及其试验装置设计技术,探索了适用于高超声速风洞试验条件的减小天平温度效应的措施、舵偏角变换方式和天平校准方法,并开展了多轮验证试验。试验结果表明:发展的铰链力矩试验方法、试验装置、天平结构、舵偏角变换方式和天平校准方法等能够满足不同高超声速飞行器控制舵面气动力测量的需求;采取的天平两端加装隔热套和电桥桥路补偿等措施能够有效减小天平温度效应和缝隙窜流的影响。目前,本项试验技术已成功应用于Ф1 m高超声速风洞马赫数4～8（来流总温273～740 K）的舵面气动特性测量,铰链力矩重复性精度优于1.50%。     

基于减小轴向力测量干扰的高精度测力天平研制

针对目前风洞试验技术的发展对风洞天平测量精度的更高需求，研制一台六分量杆式高精度轴向力测量天平，应用新型轴向力测量元件结构形式，并采用有限元方法对其进行了优化和改进。轴向力结构设计采用将测量元件置于天平轴线上的"设计中心位置"的方式，并通过在测量梁上设置铰链以及轴向力测量梁的非对称设计，最终使各气动载荷分量对轴向力的干扰应变输出近乎为零，彻底解决了杆式应变天平轴向力的测量干扰问题。同时，该设计还改善了天平各分量载荷作用在轴向力测量梁上交错复杂的应力分布状态，提高了天平的长期稳定性。天平校准和标模试验结果表明，该天平轴向分量具有较高的测量精、准度，可满足现代风洞试验的高精度轴向力测量需求。     

全尺寸栅格舵铰链力矩天平研制

为准确获取带控制系统全尺寸栅格舵的静、动态铰链力矩数据,分析舵控系统性能,需要研制强度、刚度、灵敏度及抗电磁干扰能力均符合试验要求的风洞侧壁支撑天平.栅格舵法向力大,铰链力矩小,且试验平台限制了天平结构的长度,导致天平在载荷匹配与元件布置方面有较大难度.通过有限元分析技术优化天平结构,在适量放大铰链力矩载荷设计指标的基础上,采用法兰盘代替传统的锥连接,天平各元件串联布局等手段,成功研制出了满足试验要求的天平.试验结果显示,模型静、动态试验数据规律良好,天平的动态响应能力及对小量铰链力矩的测量满足试验需求.     

翼型测力天平的研制

为研究翼型结冰状态下的载荷变化规律,对翼型进行测力实验.研制一台三分量翼型测力天平.天平设计的突出难点为设计载荷极不匹配,阻力测量载荷很小.设计时,针对翼型载荷的特点,采用片梁组合方式测量阻力,四柱梁测量法向力及俯仰力矩,并采用有限元方法对结构进行了验证计算.主要介绍天平的设计、校准及应用情况.     

小展弦比飞翼布局高速标模测力天平研制

小展弦比飞翼布局的纵横向气动特性差异大,对天平测量与校准提出了较大挑战。专用天平针对其气动载荷特点和气动力试验需求,通过对常规片梁和柱梁组合的组合测量元件进行改进,提高了横向载荷的测量灵敏度,使得组合元件满足天平除轴向力外的5个分量的灵敏度测量需要。天平选用横Π型梁作为轴向力的测量梁,降低了其他分量对轴向力的干扰。在天平校准时通过施加纵向冲击振动的工程方法完成天平加载头的安全拆卸并应用于模型的拆卸。研制的天平已完成了相关风洞测力试验。