高超声速风洞小滚转力矩测量技术研究

 简介了小滚转力矩测量技术 :小滚转力矩天平、自由滚转法,重点介绍了气动中心高速所研究的气浮天平技术,气浮天平技术具有小滚转力矩天平经济、直观的优点,同时具有自由滚转法精度高的优点。在微量滚转力矩的测量中,角度偏差和同轴度偏差将直接影响到滚转力矩的测量精度,应根据滚转力矩的测量精度对角度偏差和同轴度偏差进行控制。     

飞船返回舱再入阶段高超声速六分量测力试验研究

介绍了在气动中心超高速所激波风洞中进行的飞船返回舱再入阶段高超声速六分量测力试验研究以及马赫数、雷诺数变化对返回舱外形纵向三分量气动特性的影响研究。在试验方案和天平设计中提出和采用了“5 l”方案，即五分量主天平和单分量滚转力矩天平实现六分量测量，模型分段连接使大轴向力对小滚转力矩测量的干扰降至最低。为考核该方案的可行性，还进行了一系列验证性试验，如对比性试验和缝隙影响试验，试验研究结果表明：采用该方案是可行的，成功地测量出了返回舱模型上的小滚转力矩。     

FL-26风洞条带悬挂支撑內式天平研制

FL-26风洞条带悬挂支撑內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內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。     

机动式再入弹头小滚转气动力风洞试验技术

基于气浮轴承的自由滚转式小滚转力矩测量系统的风洞试验技术,针对传统的惯性再入武器向再入机动武器发展需求,利用多孔光栅及高灵敏度光电传感器测量带小突起（如边条,小配平翼）的非轴对称模型自由滚转状态下的角速度随时间的变化过程。采用理论验证、最小二乘拟合、动力学仿真计算等方法,建立相应滚转力矩气动力模型进行试验数据处理和分析。风洞试验结果显示,数据大小合理,规律性好,同时可获得试验模型在滚转运动中的滚转气动力随时间的变化曲线,以及任意滚转角位置的小滚转静力矩,能够满足机动式再入弹头小滚转气动力测量试验的发展需求。     

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58mm的外套筒上,内杆直径为44mm,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动气动力测量问题，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，利用空气了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φ500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C10和滚转阻力矩系数C1p。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。     

细长体导弹高速动导数试验技术研究

随着导弹技术的发展,导弹的种类越来越多,细长体导弹不断出现,对高速动导数试验也提出了相应特殊的要求。相比于常规布局导弹,细长体导弹高速动导数试验面临着角度天平无法在模型内腔安装、动态滚转力矩小导致测量精度低等技术问题。为实现细长体导弹滚转动导数测量,在FL-1风洞中建立了一套滚转动导数测量机构,相比于原始机构,进行了三方面改造:运动转换形式由"导轨"形式变为"内外环"形式、角度天平从模型内腔后移置尾支杆末端、测力天平采用特殊的结构形式设计。试验结果显示,同一模型、不同机构、不同期的重复性试验结果一致性较好,证明了试验机构的可靠性。目前,该装置已成功应用于某长细比达18的导弹型号试验任务,试验精度满足型号要求。     

H—6部件与外挂天平的研制

介绍了H－6部件与外挂物测力试验的难点，一是天平的设计截荷极不匹配，如机翼天平的滚转力矩是常规天平的10多倍；二是模型尾部是船形尾段。采用常规的支撑方式，支杆强度太弱，试验不安全，同时也不利地多台天平的敷线，总体方案采用模型部与支杆合为一体的结构形式，既保证了试验又安全又便于多台天平的敷线。天平设计首先保证试验安全，用双桥提高天平的输出。试验结果表明：总体试验方案正确，天平设计合理，支撑刚度好，测量精度高。     

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。     

飞机大振幅滚转运动动态气动特性实验研究

在南航NH-2低速风洞中,对BJ-1飞机模型动态气动特性进行了实验研究.模型在不同攻角、不同振幅和不同频率时绕体轴作大振幅滚转运动,测量了模型的动态气动特性,着重分析了模型不同运动参数对模型滚转力矩和偏航力矩的影响.结果表明,模型攻角从小到大变化过程中,模型的滚转阻尼和偏航阻尼变化很大,滚转力矩和偏航力矩迟滞环变化方向发生改变.模型滚转频率对模型的滚转阻尼和偏航阻尼影响不明显,只改变力矩迟滞环的大小.随着模型振幅增加,滚转力矩和偏航力矩迟滞环从一个变成3个,出现2个交叉点,大滚转角时滚转阻尼和偏航阻尼特性与小滚转角时的相反.     

某飞行器推力矢量试验测力装置研制

为满足某飞行器推力矢量试验的测试要求,采用两台六分量应变天平和一个空气桥组成测力装置来实现飞机全机气动力和喷管推进特性同时分别测量。基于有限元软件,对天平的应变及空气桥对天平的干扰进行了分析。结果表明:空气桥对天平力分量的干扰值优于5%,对力矩(滚转力矩除外)分量的干扰值优于15%,达到了设计指标。通过校准获得了单独天平、天平带空气桥(充压、不充压)状态下的校准公式,校准结果表明:两台天平各分量的综合加载误差均优于0.3%,天平带空气桥(充压、不充压)状态下各分量的综合加载误差优于0.5%,空气桥对天平的干扰量值与有限元分析结果一致。理论分析与实测结果证明:研制的天平及空气桥达到了预定目标,它的测量精准度高,满足推力矢量风洞试验需求。     

再入体动导数试验技术

外形短粗，飞行姿态复杂，其动导数量级很小的再入体模型，安装在新研制的尺寸小，厚度薄的整体结构之天平元件上，天平与尾支杆相连，由气活动塞推动拨杆，经过拨螺钉撞击模型上的楔块并驱使模型作自由振动，从而测量了大攻角俯仰，偏航及滚转动导数。     

Φ1m高超声速风洞小滚转力矩测量技术

为了满足再入飞行器的不断发展需求,准确测量再入过程中烧蚀作用所产生的小量级滚转力矩,本文在近年来小口径高超声速风洞中再入飞行器小滚转力矩测量技术研究工作基础上,创新改进以气浮轴承为核心建立的低阻尼自由滚转测量试验技术,利用传统试验数据处理方法结合飞行动力学仿真等多种设计和数据分析手段,最终实现大口径高超声速风洞高马赫数、大迎角条件下多个状态点的再入飞行器试验模型滚转气动力矩精细化测量。风洞试验结果表明,试验系统工作稳定可靠,试验数据完善、合理,能够为再入飞行器的相关设计工作提供重要依据。     

斜置平板的低速风洞实验研究

利用油流法和烟线法相结合的流动显示技术对不同斜掠角和迎角组合下的斜置平板进行了流场显示和和天平测力实验研究.油流显示结果揭示了斜置平板表面分离流动和再附流动的流动特征;烟线显示结果则揭示了斜置平板周围的涡系结构,从而解释了油流显示中所观察到的现象.通过天平测力,我们得到了斜置平板的滚转力矩特性和升力特性.实验结果表明:在小迎角下,随着模型斜掠角度的增加,一条展向发展的涡流动生成于模型的后掠段,该涡流动使滚转力矩保持为相对较小的正值;大迎角下,从斜置平板模型的前掠尖点生成了一股沿展向发展的涡流动,且随着模型斜掠角度的增加,涡流动的影响范围从模型的前掠段扩展到了后掠段,从而使滚转力矩先减小后增大.     

结冰环境下结冰/除冰过程的气动参数测量实验技术

采用结冰风洞实验方法,在0.3m×0.2m结冰风洞第二实验段对圆柱模型的结冰/除冰过程进行了气动参数测量实验。建立了电加热圆柱模型和适合低温高湿环境的五分量外式微量天平,获得了结冰气象环境下圆柱模型结冰/除冰过程的气动力/力矩随时间的变化规律。喷雾对载荷和动压的影响可以忽略,单位时间内模型受到喷雾的最大水平力、最大动压增量分别为0.6%和0.2%。基于结冰风洞低温高湿环境的测力实验技术可以捕捉结冰/除冰过程的气动力/力矩变化。结冰过程中,圆柱模型阻力系数随时间不断增大,呈现出近似线性增长趋势,而升力系数、俯仰力矩系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数的变化可忽略不计。除冰过程中,前缘冰壳滑动改变了姿态,会造成阻力系数、偏航力矩系数、滚转力矩系数等迅速变化,其对气动性能的影响难以预测。      

一种新颖的侧滑振动导数实验技术

北京大学低速风洞中采用一种新的测量侧滑振动导数的原理和技术，它利用同一强迫振动装置，更换少许运动转换件和支杆，实现五种自由强迫振动，由六分量天平和相关滤波仪器测量出全部组导数和下洗时差导数，而侧滑振动导数是通过对应的侧滑－滚转振动与滚转振动测出的组合导数之差得到的。本文给出了某教练机大攻角侧洗时差导数的典型结果。     

提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术研究

简述了“舵面气动特性研究”的研究内容之一，提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术，铰链力矩试验的目的就是确定操纵面的最大铰链力矩。通过对铰链力矩试验方法的研究和对铰链力矩天平的技术攻关，成功地研制了一台新型铰链力矩天平；提高测量最大铰链力矩试验数据精准度的有效模拟技术研究卓有成效。研究结果表明：将细长体导弹升力面以前的弹身等直段适当截短对尾舵的气动特性影响很小，这对于提高测量战术导弹操纵面最大铰链力矩的精准度十分有意义。     

飞机大振幅非定常滚转运动的非线性稳定性分析

本文根据某飞机大振幅非定常滚转力矩的风洞试验结果,采用两种方法,计算了飞机绕体轴作自由滚转运动时的滚转角时间历程,分析研究了飞机非线性滚转运动的稳定性,并对非定常空气动力对飞机稳定性的影响作了较深入的研究。本文通过两种滚转运动时间历程结果的比较,表明了给出的从大振幅实验提取常规动导数方法是可行的;而且也表明了通过测量飞机绕体轴滚转时大振幅非定常滚转运动时的滚转力矩值,可以研究飞机的摇滚（Ｗｉｎｇ     

FL-2风洞三维舵面铰链力矩实验研究

飞行器舵面铰链力矩测量风洞实验一般都采用应变片天平测量。由于诸多条件所限，比如天平刚度问题，舵面缝隙引起的上下窜流，铰链力矩测量实验技术一直是风洞实验中的难点。特别是现代飞机舵面越来越薄，这样，为了尽可能地真实模拟飞机外形，减少对翼面和舵面外形的破坏，留给天平的空间尺寸就很有限，天平尺寸更有限，必导致天平刚度较弱，在气动载荷作用下，天平弹性变形较大，给实验结果带来误差。所以如何保证铰链力矩实验结果的准确可靠，减少误差，一直是铰链力矩实验的难点。为确保实验结果的可靠性，本次实验采用单分量轴式天平和三分量舌片式天平相结合共同测量。这样，两者实验结果互相比较验证，可分析出实验结果的精准度。