风洞测力实验的数据采集和处理

本报告介绍西北工业大学空气动力研究室跨、超声速风洞中以微型计算机为中心的天平测试系统,总结了采用应变天平进行气动力测量,数据采集和处理的方法。     

高速风洞拐角六分量天平研制

本文介绍在NH-1三音速风洞中进行测力试验时使用的拐角六分量应变天平的研制情况。着重论述和讨论内式六分量天平和双转轴β机构的结构形式,内式天平各测量元件设计中应用的假设条件、计算公式和应变片的粘贴方法,并对静校和动校结果进行了分析。     

卡尔曼滤波在某跨声速风洞CTS机构连续动态轨迹捕获试验技术中的应用

外挂物分离轨迹捕获技术是世界上一种先进而且难度较大的风洞试验技术,国内某跨声速风洞捕获轨迹试验装置(CTS)首次对连续动态轨迹捕获实验技术进行了研究。本文首先介绍了该跨声速风洞CTS机构动态轨迹的预测方法,随后对该机构连续动态轨迹同步控制方法的具体实现步骤进行了较为详细的描述,分别介绍了无缓冲和有缓冲的动态轨迹连续同步控制过程及约束条件;在此基础上,针对CTS机构天平信号硬件滤波滞后和精度要求间矛盾的现实,引入泰勒中值定理,建立卡尔曼滤波(KF)模型,选取适当参数,对天平信号进行动态实时滤波处理,并与传统的位置控制方式进行吹风试验比较。试验结果表明:卡尔曼滤波较好地平衡了CTS机构天平信号硬件滤波滞后和精度要求之间的矛盾,且分离轨迹的重复性得到了验证,机构风洞吹风试验的效率也大为提高。     

铰链力矩天平技术及其在风洞实验中的应用

本文介绍了全机半模型铰链力矩天平技术的研究;介绍了七台铰链力矩天平和四套专用校正装置的设计和研制;天平的静校及其在 FD-09低速风洞进行的波音707模型的铰链力矩实验。通过实验证明:在一个模型上同时应用多台铰链力矩天平进行风洞实验的技术,有效地节省了试验时间和经费,提高了风洞实验效率。实验结果表明了铰链力矩天平组的设计符合风洞实验的要求,静校精度较高,动校结果可靠。     

一种特殊情形下风洞M≥1跨声速均匀流场的建立

在中国空气动力研究与发展中心高速所FL 24(1.2m×1.2m)跨超声速风洞中,通过采用减小风洞柔壁喷管喉道截面积的方法,成功地在风洞超扩段内装有大堵塞度六自由度机构情形下建立了均匀M≥1跨声速流场。流场校测结果表明,所获得的跨声速流场均匀性指标能满足试验要求,较为成功地解决了FL 24风洞进行跨声速CTS试验的问题,具有实际应用价值。     

2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2.4m×2.4m 跨声速风洞(以下简称2.4m风洞)虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0.7%以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma=5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

水洞动态测力和流动显示一体化实验技术

研制能够用于低速水流中的三分量内式测力天平,结合氢气泡(或染色液)方法,在水洞(槽)中实现测力和流动显示实验同步进行的动态实验系统,克服了通常测力和流动显示分别在风洞和水洞中进行,实验条件不同给结果分析带来的困难。天平采用高精度位移传感器,避开传统的应变片技术应用于水中所遇到的技术困难。简易飞行器模型的静态和等速俯仰实验结果表明了测量系统的可靠性。     

高速风洞总体天平与多台部件天平

本文主要介绍用于高速风洞总体测力与部件测力实验所应用的总体天平及四台部件天平的结构特点,性能指标及应用情况,为今后风洞开展多台部件天平测力实验提供有益的经验。     

用于0.6m×0.6m 跨超音速风洞外挂物测力试验的微型应变天平

本文阐述了0.6m×0.6m 跨超音速风洞(FL-1)的微型外挂测力天平的有关技术问题,介绍了φ10、φ6mm 六分量天平和φ3、φ2.4 mm 五分量天平的静动校结果和实际应用情况。     

一种摆动式六分力风洞天平的设计和试验研究

为探索摆动式风洞天平的测力精度和使用效果,以及采用支架结构的风洞天平的整体性能,本研究设计了一种摆动式六分力风洞天平,并对所设计的天平进行了试验;通过飞机模型试验以及Catia用Fluent计算流体计算的结果进行了对比分析和研究。研究结果表明:在正常量程范围内,本研究所设计的摆动式风洞天平的使用效果良好,整体性能稳定;研究结果可为小型飞行器风洞试验提供参考。     

战术导弹标模五座风洞试验数据的相关性研究

为研究不同风洞之间战术导弹模型测力试验数据的相关性,采用同一台测力天平及外形相同的尾支杆在五座风洞中对ZSDD 1战术导弹标模进行了重复性实验和对比实验。实验结果表明,相同状态下对比实验结果的标准偏差普遍大于重复性实验的标准偏差,其中底阻系数测值的标准偏差明显大于同一座风洞中底阻系数的试验精度。     

脉冲风洞中新型自由天平探索

为解决常规天平在高焓高超声速脉冲风洞中测得信号无法识别、无法提取的问题,提出了一种全新的自由型天平,并设计了两种不同方案(分自由度自由型三分力天平和整体自由型三分力天平)。实验表明这种加速度测力是可行的,并能很好地解决传统天平遇到的问题。     

激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

为满足高马赫数超燃冲压发动机研制的需求,在激波风洞中开展了超燃冲压发动机推力测量技术研究工作,采用压电式推力测量天平测量了超燃冲压发动机模型上的推力。根据试验模型的受力特性进行了天平设计与校准研究,并在激波风洞中开展了验证性试验。在天平设计中,采用有限元力电耦合分析方法对天平性能进行了预估。分析结果表明:天平主分量的灵敏度可达到17.447 mV/N,一阶振动模态可达到1022.40 Hz。在验证试验中,分别测量了超燃冲压发动机模型在喷注和不喷注燃料条件下的推力。试验结果表明:在2种试验状态下,发动机阻力差值最大约220 N,说明设计的压电式推力测量天平可分辨出不同试验条件下作用在发动机上的推力大小。     

高精度六分量应变天平研究

风洞天平测量精度是改善模型风洞试验测量精度的主要因素 ,我国进行了大量研究。本文做了三个方面的工作 :( 1 )设计低干扰的天平阻力元 ;( 2 )选择带温度补偿的高质量的应变计 ;( 3 )选择优质应变片并仔细粘贴。将这些科研成果应用于一台 1 8六分量应变天平上 ,并利用该天平在超音速风洞中对 GB-0 4标模进行气动力测量 ,其测量精度达到国际标准     

磁悬挂天平导航控制系统的应用与研究

介绍了利用美国国家仪器有限公司(简称NI:National Instruments)的软件LabVIEW和硬件高速定时器/计数器,以及含步进电机的CCD线阵列式位置传感器支架来实现的磁悬挂天平MSBS(Magnetic Suspension and Balance System)导航控制系统,其中主要包括它的俯仰、左右和平动方向的导航控制.磁悬挂天平是进行风洞实验的理想装置,其基本核心技术之一就是进行导航控制.该系统基于LabVIEW7.0平台进行编程,具有操作界面友好直观、导航控制精度高、便于扩展等特点.磁悬挂天平导航控制系统是"30cm×30cm磁悬挂天平装置"及"30cm×30cm低速高品质气流风洞装置"的重要组成部分.     

腹支天平的研制

为满足某工程高速风洞测力试验的需要,研制了一台腹支(φ44mm)六分量内式应变天平,以测量飞机的气动载荷。试验结果表明:天平设计合理,天平及其支撑系统刚度好,天平各元测量精度高。     

跨声速风洞模型主动减振系统试验研究

为解决跨声速风洞测力试验模型的俯仰振动问题,研制了一套主动减振系统。该系统利用了模型/天平/支杆系统的响应特性,采用主动控制方法,以天平信号作为输入,采用速度负反馈,使用安装在支杆后端主动接头内的压电陶瓷作动器来抑制模型振动。地面试验结果表明,主动减振系统使模型/天平/支杆系统的俯仰一、二阶阻尼比分别提高20.8倍和12.8倍。风洞试验结果显示,法向力和俯仰力矩振动幅度分别下降71.0%和57.5%,风洞试验结果还表明主动减振系统对气动系数的影响相对较小。主动减振系统在多个模型的风洞试验中也得到验证,显示出良好的减振性能和模型适应性。     

串置双五分量天平的研制

本文介绍风洞应变天平中首次研制成功的一台串置双五分量天平。串置双天平由一块钢材制成。O_1天平固定在 O_2天平的受力端。O_2天平既能测量左平尾载荷,又能传递由 O_1天平测量的右平尾载荷。正确分析两台天平的受力传力路线和弹性变形的综合位移量,用严谨的数学公式描述两台天平测量的力和传递的力。对这两种力进行数学分解,形成数学模型,写出天平静校公式的数学表达式,并据此研制天平静校设备,分析天平在各分力作用下的弹性位移,写出弹性角公式。上述各点是串置双天平的核心问题。最后经风洞引导性实验证明,串置双天平的原理、方案、受力分析、静校公式等都是正确的。在国内外,串置双天平第一次用于风洞实验,获得了初步成功。     

一种单矢量风洞天平校准系统设计

介绍了一种单矢量六自由度风洞天平校准系统的设计。采用砝码匀速运动过程中碰撞卸载的方法,实现对压电天平的瞬时加载;通过控制天平姿态以及砝码在加载头上的挂点位置实现单矢量加载;并采用多元校准方法对天平信号进行处理,满足超高速风洞测力试验对六分量压电天平校准的需求。校准系统主要由天平姿态调整机构、砝码加载机构、碰撞卸载机构以及控制系统、测量系统等部分组成。系统构造简单、系统误差源少,具有校准效率高,校准精度高等优点。