動態實驗微量滾轉力矩天平測試技術研究*

于衛青，方養田，袁先士，陶福興，高超

(1中國兵器工業第203研究所，西安 7 10065;2西北工業大學航空學院，西安 7 10072)

0 引言

飛行器動態導數是確定飛行器動穩定性的重要指標。隨著新一代精確制導武器、高機動武器、智能化武器的發展，高機動、靜不穩定、非零側滑角、大攻角等飛行狀態的出現，對飛行器的動穩定性認知和預估提出了更高的要求。動態導數是研究反映動穩定性的重要參數之一，目前主要是通過風洞實驗的方法開展研究。動導天平是動態導數風洞試驗系統的核心測試設備之一。

文中針對戰術導彈模型動態氣動特性風洞實驗對微量滾轉力矩測量提出的特殊要求，成功地研制了一臺五分量高精度高靈敏度微量滾轉力矩天平。文中介紹了微量滾轉力矩動導天平的設計方法、靜態校準和風洞實驗結果。

1 天平設計

1.1 天平設計難點

1)動導數試驗測量的關鍵是準確測量動態的力和力矩信號以及模型角振蕩的位移信號，特別是有效地分離出有用信號。風洞試驗流場氣流脈動噪聲和機械噪聲、電磁噪聲等背景噪聲會對天平力和力矩信號產生更高量級或同量級的干擾，為了提高模型強迫振蕩試驗數據的測量精確度，實驗時必須盡量提高天平的信號輸出強度，提高實驗數據動態采集的采樣速率。要求天平要有較強的抗干擾能力和較高的輸出靈敏度。

2)根據動態實驗方案，微量滾轉力矩天平與位移元件采用串聯式結構，天平要同時實現多個分量測量，天平元件既是測量梁，又是支撐梁，為了避免模型天平彈性支撐系統出現共振帶來的機械損傷或機構誤差，要求天平元件尺寸不能太長。由于滾轉力矩分量相對于其它分量是一個小量，因此，在提高滾轉力矩分量設計靈敏度的同時，不能降低天平元件的剛度，增強天平的抗干擾能力，需要優化天平元件結構布局。

3)微量滾轉力矩天平設計時要綜合考慮天平的強度、剛度和各元設計靈敏度的合理匹配。由于連接件、配合件等中間環節較多，造成天平測量系統固有頻率較低，系統阻尼下降。

4)合理選擇應變計粘貼位置，設計好天平測量電橋橋路及走線。因為天平不是直接與支桿連接，而是通過連接位移元件再連接天平支桿，要避免天平每一測量單元橋路連接漆包線與位移元件和模型相碰。

5)實驗采用強迫振動法，要考慮機構振動帶來的天平性能影響，避免出現天平元件受損或天平信號的非線性和不回零現象。

1.2 技術措施

為了避免出現上述問題，微量滾轉力矩天平的設計采取了以下措施:

1)天平元件設計時綜合考慮天平的量程匹配、靈敏度、剛度和響應頻率、測量單元之間的相互干擾等因素的影響。天平設計時要相互協調，精心布置，不能片面追求某個指標，而忽視了天平的整體性能。

2)天平采用成熟的整體式桿式結構型式，為了減小其它分量對滾轉力矩的干擾，提高天平滾轉力矩設計靈敏度，在天平設計中心處設置滾轉力矩分量的測量，滾轉力矩采用米字梁形結構布局，這種結構形式有利于滾轉力矩的測量，對其它分量的抗干擾能力強，剛度和強度較好;在天平設計中心前后處對稱設置川型梁組合元件，用于測量法向力、俯仰力矩、偏航力和偏航力矩分量。天平結構簡圖如圖1所示。

圖1 微量滾轉力矩天平結構簡圖

圖中:b1、h1為組合元件Y和Mz測量梁的寬和高;b2、h2為組合元件Z和My測量梁的寬和高;b3、h3為滾轉力矩測量梁的寬和高 ;ρ1為Y和Mz測量梁中心到Z和My測量梁中心的距離;ρ2為天平中心軸線到滾轉力矩元件測量梁中心的距離;D為天平元件直徑;l1為川型梁的長度;l2為滾轉力矩測量梁的長度。

3)兼顧天平各測量單元靈敏度的同時有效提高天平系統剛度，保證天平測量系統的系統阻尼最大，同時在保證連接可靠的情況下盡量縮短天平的連接尺寸，增加連接配合面。

4)根據天平的結構型式，參考位移元件的結構，設計天平測量電橋及粘貼，在不影響天平剛強度的情況下合理布置線槽，盡可能使天平的導線從位移元件的空間位置穿過。

5)保證天平的粘貼工藝和質量要求，采用高精度的應變計來進行每個單元的橋路連接，在保證天平信號采集滿足使用要求的情況下，對應變計及漆包線用硅膠進行保護。

1.3 天平元件設計

滾轉動導天平元件直徑為Φ24mm，天平元件總長L=171mm，天平材料為F141，材料性能參數為:E=187250N/mm2，G=8000N/mm2，σb=1800N/mm2，λ =2.5，k=2，[σb]=360N/mm2。滾轉動導天平設計條件見表1，天平設計結構參數如表2所示。

表1 微量滾轉力矩天平設計條件

表2 微量滾轉力矩天平設計結構參數

各分量設計應變計算公式:

2 天平校準

微量滾轉力矩天平的校準是在中國空氣動力研究與發展中心高速所BCL－2000A校準裝置上進行的，該校準裝置擴展不確定度為0.05%。下面給出該天平的校準公式及靜校結果。

2.1 天平校準公式

2.2 靜校結果

天平靜校結果如表3所示。由結果可以看出，微量滾轉力矩天平靜校精度達到了GJB2244－94規定的先進指標，靜校準度均優于GJB2244－94規定的合格指標。

表3 微量滾轉力矩天平靜校結果

3 風洞實驗

3.1 實驗裝置介紹

微量滾轉力矩天平在兵器CG－01風洞進行了7次重復性動態驗證實驗，實驗Ma=0.6，攻角α =0°～8°，振動頻率為17.5Hz。實驗模型采用 CG － 01風洞導彈標準模型。模型直徑50mm，長420mm，長細比為8.4，彈身為圓柱形，彈尾帶有4片十字形布置的梯形平板翼，翼展150mm。如圖2所示。

圖2 CG－01風洞導彈標準模型

實驗裝置采用強迫振動裝置，見圖3。該裝置設計指標:θ= θ－sinωt，θ－≤1.5°，f≤30Hz。該裝置由天平、位移元件、實驗模型、振動系統組成。AC數字伺服電機提供驅動扭矩，曲柄導桿機構將伺服電機的勻速轉動轉換為軸的正弦滾轉。通過固聯在伺服電機轉軸上的偏心輪在搖桿滑槽內的運動帶動搖桿繞固定軸心周期正反轉動，實現強迫滾轉振動。

圖3 強迫振動裝置系統

3.2 實驗結果

滾轉阻尼導數7次重復性驗證實驗結果見表4，滾轉阻尼導數重復性實驗曲線如圖4所示。由結果可知，同一Ma，同一振動頻率下滾轉阻尼導數重復性測量精度優于4%，實驗精度高，規律性好。

表4 滾轉阻尼導數重復性實驗結果(Ma=0.6，α =0°－ 8°，f=17.5Hz)

圖4 滾轉阻尼導數重復性實驗曲線

4 結論

微量滾轉力矩天平通過了風洞動態性能測試，該天平結構合理，靈敏度高，抗干擾能力強，精準度高，性能穩定，風洞實驗精度高，規律性好，能夠滿足戰術導彈模型動態氣動特性風洞實驗對微量滾轉力矩測量提出的特殊要求和動態氣動特性風洞實驗精度要求，所以該天平研制是成功的。該天平的成功研制，為以后用于彈箭模型風洞實驗的微量滾轉力矩測量的天平提供了技術支持。

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