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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

NF-6增压连续式跨声速风洞流场特性与标模试验

NF-6风洞是中国第一座增压连续式跨声速风洞.对NF 6风洞试验段流场特性进行了总结分析,研究结果表明该风洞具有优良的流场品质,总体上达到了设计要求,具备了承担型号和科研试验任务的能力.通过AGARD-B标模试验,进一步完善了NF-6风洞试验段流场品质校测项目,检验了该风洞的测力试验能力.NF-6风洞标模试验结果与国内外风洞试验数据吻合较好,试验精度和风洞平均气流偏角满足国军标要求,表明该风洞具备了测力试验的能力.     

2.4m跨声速风洞带TPS测力试验数据精度要求分析

成功建立带TPS风洞测力试验技术的一个关键问题是确保试验数据具有足够的精度,必须精细地分配误差。为获得满足工程需要的高精度测力试验数据,给出一种基于计算机符号运算的子程序,完成不确定度计算过程中公式自动推导、计算。最后通过对TPS风洞试验数据精度的敏度分析,给出了某运输机在2.4m跨声速风洞TPS试验中各环节的误差分配要求。     

2.4m跨声速风洞大迎角试验技术研究

介绍了2.4m跨声速风洞的大迎角试验机构、试验技术,以及大迎角标模(CT-1)和某四代机等两个模型的调试试验情况。试验结果与国内、外其他风洞的试验结果具有较好的一致性,试验精度相当。标志着2.4m跨声速风洞的大迎角试验机构和试验技术研究取得了初步成功。     

CHN-T1标模大型低速风洞试验结果相关性分析

为满足型号研制的试验数据质量需求,进一步开展CFD验证与确认工作,中国空气动力研究与发展中心建立了大展弦比运输机高低速统一标模体系。为获得可靠风洞试验数据,使用设计加工的第一个运输机标模CHN-T1（1:6.4,翼展4.667m）在FL-13风洞和DNW-LLF风洞进行了试验。同一构型下,前者试验雷诺数为1.4×106~2.5×106,后者试验雷诺数为1.4×106~3.2×106。模型在FL-13风洞中通过TG1801A内式六分量天平与大迎角支撑机构相连,在DNW-LLF风洞中则通过W616天平与尾撑机构相连。两风洞均测量了模型力和力矩。风洞试验数据差异评估包括重复性、气动特性和雷诺数影响。结果对比表明:标模在不同风洞试验中的升力线斜率相差很小;设计升力点附近（Ma=0.78,C_L=0.5）阻力系数相差0.0004,试验数据一致性较好;雷诺数对标模气动特性影响符合预期。     

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。     

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。     

应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究

对于有效试验时间仅有十至几十毫秒的激波风洞,常规应变天平和压电天平无法满足高精度气动力测量要求。半导体应变计的应变灵敏度远大于常用的金属电阻应变计,但其温度系数比金属电阻应变计高出2个数量级。针对此问题,设计了温度自补偿的半导体应变计并应用于等强度梁试验,结果表明:温度自补偿能够有效改善半导体应变计的温度效应,可将温度漂移降低至0.2% FS。在此基础上,设计了一杆高频响六分量半导体应变天平,通过天平、支杆一体化等设计,将测力试验系统的一阶固有频率提升至100 Hz以上。天平静态校准结果表明:该天平的综合加载误差达到国军标合格指标,综合加载重复性达到国军标先进指标。激波风洞B-2标模测力验证试验结果表明:在有效试验时间内,该天平可获得一个周期以上的输出信号,风洞试验结果与气动手册参考值、CFD计算值吻合较好。     

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跨声速风洞Re数模拟能力及其应用

Re数对飞行器气动特性的影响十分复杂,基于风洞试验的Re数效应预测很大程度上依赖于风洞的变Re数试验能力.综述了2.4m跨声速风洞的Re数模拟能力,并给出了某型无人机和某型战斗机在2.4m风洞的变Re数试验结果以及战斗机大迎角气动特性的Re数效应试验结果,表明了2.4m风洞的Re数模拟能力能够较好地预测Re数对飞行器气动特性的影响趋势,大迎角试验时,基于机头端部直径的试验Re数能达到超临界范围.     

2.4m跨声速风洞多功能支撑系统试验技术研究

针对型号研制的风洞试验需求,在2.4m跨声速风洞中开展了多功能支撑系统试验技术研究,研制了一套多功能支撑系统.该支撑系统既可实现定侧滑角连续变迎角的试验方式,又可实现定迎角连续变侧滑角的试验方式.在0.6m跨声速风洞开展了引导性试验研究,并在2.4m跨声速风洞中对该支撑系统与传统的支撑方式进行了风洞试验对比.结果表明,多功能支撑与传统支撑方式的风洞试验数据相关性良好,表明该支撑装置的研制是成功的,可应用于型号试验.     

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。     

基于柱梁的片式应变天平研制技术

在飞行器铰链力矩测力和部件测力风洞试验中,常采用片式应变天平测量。受模型结构限制,传统片式天平连接端刚度相对天平元件不足,测量精准度偏低。将片式天平元件分解为多个柱梁元件,通过多个柱梁元件组成一台新型结构的片式天平,可以有效提高片式天平的测量精准度。传统力学分析和有限元软件仿真分析结果均表明该方法具有可行性。基于该技术研制了验证天平,校准结果表明该技术具有很高的应用价值。目前该片式天平研制技术已在中国空气动力研究与发展中心高速所成功应用于多个试验项目。     

南航Φ0.5m高超声速风洞流场校测

南航NHW Φ0.5m高超声速风洞试验马赫数为5、6、7和8,建成后对风洞流场进行了速度场校测和AGARD-HB-2标模测力试验.介绍了M5和M8喷管速度场校测和标模试验.结果表明:风洞均匀区范围可达336mm;截面内最大马赫数偏差,M5喷管流场|ΔMa_j|_(max)/aj=0.006,M8喷管流场|ΔMa_j|_(max)/a_j=0.007;截面标准差,M5喷管流场σMa_j/|ΔMa_j|_(max)=0.378,M8喷管流场σMa_j/|ΔMa_j|_(max)=0.484.上述各项条件均满足GJB4399-2002对风洞速度场的要求.经过对比,NHW风洞的标模测力结果与国内风洞试验数据吻合较好且全部在AGARD-HB-2数据带内,这证明了该风洞试验数据的准确性.流场校测和标模试验的结果证明了该风洞满足设计指标.     

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.     

CAARC高层建筑标模动态测力研究

CAARC高层建筑标模的动态测力试验在南京航空航天大学NH－2低速风洞中进行，在均匀流场中以及模拟大气边界层中分别测量了模型的动态气动力和力矩的平均值，均方根值，峰值，试验目的是为检测NH－2风洞的大气层边界模拟技术，动态天平，测试仪器以及动态数据采集和处理系统，试验结果表明，CAARC标模的所有动态气动特性在NH－2中的测量值与国外部报导的结果符合得较好，因此，NH－2风洞的大气边界层模拟技术，动态天平，测试仪器以及动态数据采集与处理系统可以承担高层建筑方面动态测力试验任务。