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%。     

高超声速飞行器脉冲风洞测力系统研究

吸气式高超声速飞行器具有各系统高度耦合的特点，现阶段的主要研究手段是在脉冲燃烧风洞中开展一体化飞行器带动力试验。针对脉冲燃烧风洞的特点，发展了一体化飞行器风洞试验快速测力方法。对试验模型和天平组成的测力系统进行了建模，获得了测力系统结构设计准则；采用数值仿真和锤击法获得了测力系统的模态，对试验过程中模型振动信号进行分析研究。结果表明:测力系统的振动频率满足测力要求，且其振动形式与锤击法测定模态一致。在脉冲燃烧风洞中开展的飞行器带动力试验结果表明:测力系统满足脉冲燃烧风洞测力要求，能够获得大尺度高超声速一体化飞行器气动力载荷，且满足精度要求，证明了在脉冲燃烧风洞中开展大尺度高超声速一体化飞行器技术研究的可行性。     

吸气式飞行器高超声速风洞气动力试验技术研究进展

机体/推进一体化吸气式飞行器结构布局形式特殊，为精确获得其气动力特性风洞试验数据，必须发展可靠的风洞试验技术。针对一体化高超声速飞行器气动力风洞试验需求，在中国空气动力研究与发展中心的高超声速风洞上发展了吸气式飞行器通气模型测力试验技术、尾喷流模拟测力试验技术、铰链力矩测量试验技术、通气模型动导数测量试验技术和飞行器表面摩阻测量试验技术，为获得可靠的机体/推进一体化吸气式飞行器高超声速风洞气动力特性数据提供技术支撑。     

高超声速风洞大轴向力中温天平的研制

为了完成φ0.5m高超声速风洞日益增长的钝头体模型测力试验,迫切需要研制出轴向力大、温度效应小、性能稳定、测值可靠的天平.笔者介绍了φ20mm六分量大轴向力中温天平的研制,该天平已成功地应用于多项测力试验.     

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。     

子弹干扰测力天平的研制

为了获得母弹模型的头部激波对子弹模型的干扰特性,在φ0．5m高超声速风洞进行了子母弹干扰测力试验技术的研究。在试验中,采用现有的φ20内式六分量天平测量母弹的气动力,采用专门研制的φ14内式六分量子弹干扰测力天平测量子弹的气动力。试验结果表明：专门研制的子弹干扰测力天平温度效应小、性能稳定、测值可靠,很好地满足了风洞试验的需要。     

2.4m×2.4m跨声速风洞半模测力天平研制

2.4m×2.4m跨声速风洞半模测力天平载荷大且极不匹配,在设计上,采用了串联结构,分三个元件段,分别测量轴向力A与偏航力矩Na、俯仰力矩M及法向力N与滚转力矩L分量,在元件与元件之间安排有35mm长的等直段,有效地防止各分量间的相互干扰。专门设计的加载头,刚度极好,保证了天平校准与风洞试验的一致性,提高了风洞试验数据的可靠性。于2002年5月完成了型号试验,试验结果与荷兰的HST风洞的试验结果的一直性较好,半模测力天平的成功研制填补了我国大风洞半模型测力试验的空白。     

2.4m跨声速风洞推力矢量试验测力系统研制与应用

推力矢量控制（TVC）技术能实现飞行器过失速机动飞行，使飞行器突破失速障、增强机敏性，在改善起降性能、巡航性能等方面具有重要作用。在2.4m跨声速风洞推力矢量试验中，采用3台六分量应变天平和2个独立的空气桥系统来实现飞机模型气动力和2个尾喷管转向喷流推进特性同时分别测量。推力矢量试验模型扁平外形使测力系统的布局及结构设计受到较大限制，狭小的模型内部需布置3台六分量天平、2套独立的空气桥系统及管路、支撑系统、压力测量系统等，采用传统方式无法完成如此复杂的系统设计，更无法完成高压条件下空气桥系统与测力天平的匹配设计。在测力系统的研制中，采用了一体化设计理念和刚度匹配设计方法，结合ANSYS有限元软件较好地解决了系统各部件的布局及结构优化等问题。天平校准结果和风洞试验结果证明测力系统满足推力矢量试验需求。     

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一.针对CARDC吸气式高超声速实验室(AHL)自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDCφ600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果.结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据.     

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。     

翼尖支撑双天平校准技术研究

翼尖支撑测力试验技术采用两台天平同时对同一风洞模型进行测力,开展双天平校准技术研究是实现该项试验技术成功应用的关键。基于双天平测量机理,研究并建立了双天平校准技术:利用两台单天平的校准公式,根据空间力系合成原理和天平载荷分量干扰修正技术构建了双天平同时工作的公式。通过对某专用双天平的单独校准、组合校准及风洞试验,对提出的双天平校准技术进行了验证。结果表明:双天平校准技术合理、可靠,可操作性强,能够为翼尖支撑测力试验技术提供必要的理论基础和试验依据。     

CARDC旋转天平风洞试验系统

旋转天平风洞试验系统主要用于风洞中测定飞机模型在不同姿态角时绕风轴以不同旋转速率作等速旋转状态下的气动特性，为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动系数。本文简要介绍了中国空气动力研究与发展中心低速所的旋转天平风洞试验系统的总体方案、试验能力和性能。文中给出了校验模型试验的主要结果，对试验数据的精准度进行了简单的讨论。校验模型试验结果表明，本试验系统给出的旋转状态气动力系数的精准度达到了较高的水平，具备了应用于型号试验和有关气动力研究的基本条件。     

脉冲燃烧风洞测力天平研制与应用

介绍了一种用于脉冲燃烧风洞高超重载模型冷、热态测力试验的腹支内式六分量应变天平研制方案。燃烧脉冲风洞试验时间短、冲击载荷大，模型重量大，要求天平能够快速响应，设计方案兼顾了刚度和灵敏度，天平静校指标满足要求。试验结果表明，天平输出信号与燃烧室压力的跟随性良好，能够正确反映模型的受力状态，轴向力系数的重复性精度达到了1.6%，天平性能稳定，由模型/天平/支架构成的测力系统在轴向力、法向力和俯仰力矩3个分量上输出信号的主频均满足脉冲风洞的测力要求。该天平方案满足重载模型在脉冲燃烧风洞试验中的测力要求。     

应变天平地轴校、体轴校对比的一些问题

为了评价和鉴定新的体轴系加载的校准设备,用五台天平和六个模型进行了两种校准设备、两种校准方法的对比试验,给出了两种天平公式用于处理风洞测力数据结果的差异,分析了其原因,对两种设备和方法进行了评价。     

跨声速风洞专用开孔壁试验段实验研究

为满足型号试验需求，2.4 m×2.4 m跨声速风洞需在不改变现有洞体结构和安装条件下新研制一个截面尺寸为3 m×1.92 m（宽×高）的专用开孔壁试验段。为了降低技术风险和投资风险，以0.24 m×0.20 m跨声速风洞（2.4 m×2.4 m跨声速风洞的引导风洞）为实验平台，采用变截面气动设计方案新设计、加工了一个专用开孔壁试验段实验件，并开展了预先性实验研究工作。通过实验研究验证了专用开孔壁试验段气动设计方案可行，且试验段模型区内流场达到设计指标要求。实验还考察了壁板扩开角、主流引射缝开度、开孔率分布等参数对流场均匀性的影响，研究结果表明:在扩开角0.3°、引射缝开度12 mm、加速区采用递增方式开孔时，专用开孔壁试验段的流场能够满足马赫数均方根偏差σ_M≤0.01（0.4≤Ma＜1.0）、σ_M≤0.02（1.0≤Ma≤1.2、1.4）设计指标要求，并且在Ma≤1.0时，σ_M达到了国军标合格指标要求。研究工作为2.4 m×2.4 m跨声速风洞专用开孔壁试验段设计提供了技术支持，也为该风洞下一阶段调试和流场校测提供了可供参考的调试参数。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于3D打印的风洞应变天平防护装置设计与应用

应变天平是风洞测力试验中的主要测量设备，对试验数据质量和运行效率具有重要影响。为了提高天平自身的防护性能，减少试验运行过程中的天平故障概率，提出了基于3D打印风洞应变天平防护装置的快速开发方法。分析了天平防护装置的需求，研究了3D打印天平防护装置的关键技术、设计因素与研制流程。开展了3D打印技术在设计优化验证和风洞试验天平防护装置研制2方面研究。分别设计了整体式水冷罩和组合式杆式天平防护装置。对于具有复杂内部结构的天平水冷罩，3D打印技术可以对设计优化结果进行验证评估。通过3D打印技术完成杆式天平防护装置研制，在风洞试验中对所使用的天平进行了防护应用。实际应用表明，防护装置可有效避免应变计及线路在校准、运输、模型装配和试验过程中损坏。相比传统机械加工，3D打印天平防护装置不仅能实现设计优化验证，而且可大幅降低加工周期和成本，促进了天平综合性能的提升。