翼尖支撐雙天平校準技術研究

王玉花，劉 偉，王 超，張 悅

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著航空科技的迅猛發展，對風洞試驗能力和水平的要求也越來越高，對飛行器模型的支撐、測力方式也提出了更新、更高的要求。近期在中國空氣動力研究與發展中心開展了某型號高精度測力試驗，模型后體氣動特性極其復雜。常規尾支撐測力方式對模型后體外形破壞較嚴重，對全機氣動特性特別是阻力特性有較大影響，無法滿足高精度測力試驗的要求，必須發展相應的試驗技術。為了研究尾支撐干擾規律，驗證試驗數據支撐干擾修正量的正確性，需要建立翼尖支撐雙天平測力試驗技術。該試驗技術能最大限度減少支撐系統對機身外形的破壞，對全機，尤其是機身尾部的干擾非常小。如何給出翼尖支撐雙天平同時對同一模型進行測力的工作公式是該試驗技術的關鍵環節。為此，開展了翼尖支撐雙天平校準技術研究。研究結果已經成功應用于課題和型號試驗。

1 技術要求

試驗模型采用左右翼尖支撐，雙天平安裝在試驗模型翼下發動機短艙位置，雙天平分別與雙支撐左右兩邊相連接。

試驗馬赫數為0.74，迎角α=-3°～3.5°，模型側滑角β=0°，模型滾轉角γ=0°。

在某型號高精度測力試驗中，縱向數據是關鍵，橫向載荷很小，且不是測量的重點。因此該項研究只需要縱向數據，所給橫向載荷為天平設計時的匹配載荷。 兩臺天平設計載荷一致，具體載荷見表1。

表1 天平設計載荷Table 1 Design roads for the twin balances

2 校準技術

2.1 關鍵技術問題

（1）雙天平校準不同于單臺天平的校準，加載方案的確定是關鍵；

（2）雙天平校準的數據處理不能使用以往常規單臺天平的處理方法，需要進行雙天平校準的數據處理方法的研究；

（3）雙天平分別安裝在左右兩個支撐前部，兩臺天平軸線之間的距離大（1188mm），要實現雙天平同時加載，加載裝置設計困難；

（4）雙天平總載荷大，現有校準架不能滿足雙天平同時校準要求。

2.2 解決措施

（1）雙天平校準可以有兩種方案：

（a）雙天平同時進行靜態校準，然后通過電橋合成的方式給出一套雙天平同時工作的吹風公式。現有校準架的最大載荷只有2t，雙天平載荷比較大，雙天平同時校準的加載裝置質量比較大，雙支撐機構本身的質量也大（723kg），另外雙支撐比較長，而其重心在雙支撐機構后錐前端840mm 處。因此天平加載時對校準架施加的力矩很大，在這種情況下，完成雙天平四個方向同時校準是有困難的，另一方面該方案的數據處理也不同于常規單天平，很繁瑣。

（b）單天平分別進行靜態校準，然后利用兩臺單天平的靜校公式，給出合理的雙天平同時工作的數據處理方法，使雙天平的測量數據合理、可靠。單天平的載荷相對較小，只需設計一根校準支桿，就可以在2噸校準架上完成靜態校準。該方案加載簡單，但數據處理方法需要進一步研究。

針對這兩種方案，經過綜合分析后采用第二種方案。為了驗證該項技術的可行性，確保試驗數據的準確、可靠，需要對雙天平同時加載，進行校準數據處理方法的驗證。

（2）首先設定雙支撐及加載裝置與天平的連接為剛性連接。對兩臺單天平分別進行靜態校準，再根據空間力系合成原理和天平載荷分量干擾修正技術，利用兩臺單天平的校準公式，給出合理的雙天平同時工作的數據處理方法。

雖然在設計、加工、安裝過程中，要求嚴格保證雙天平加載的對稱中心位置，但是在粘貼、單獨校準、同時安裝后，雙天平很有可能在軸向上存在校準中心不重合的現象。而且雙天平軸線根本不能重合，始終存在1188mm 的距離。

在數據處理上，采用將兩臺天平所測得的各分量載荷分別疊加的方法，同時考慮校準中心不重合產生的影響。根據試驗的需要，在雙天平綜合加載驗證數據處理的可靠性時，僅進行了雙天平的縱向加載，計算公式如下：

（a）Y分量加載計算公式：

Y1為1＃天平測得的法向力，Y2為2＃天平測得的法向力。

（b）X分量加載計算公式：

X1為1＃天平所測得的軸向力，X2為2＃天平所測得的軸向力。

（c）Mz分量加載計算公式：

Mz1為1＃天平所測得的俯仰力矩，Mz2為2＃天平所測得的俯仰力矩。ΔL1為1＃天平與雙天平校準中心的距離，ΔL2為2＃天平與雙天平校準中心的距離。ΔL1、ΔL2的正負取決于Y1、Y2在該位置相對雙天平校準中心產生力矩的正負。

（d）Mx分量加載計算公式：

Mx1為1＃天平所測得的滾轉力矩，Mx2為2＃天平所測得的滾轉力矩。1188mm 為兩臺天平軸線之間的距離。

（3）為了更好地模擬吹風狀態進行加載，也為了簡化加載裝置的設計，利用現有試驗模型的機翼，設計專用加載裝置與機翼連接，實現雙天平同時加載。在專用加載裝置設計中，要確保加載點與雙天平軸線在同一水平面內，雙天平的軸線與加載裝置的中軸線對稱。同時盡量保證加載裝置的加載中心與雙天平的力矩中心在X軸方向上的位置重合。具體連接情況如圖1。

首先將兩臺單天平與雙支撐相連接，再由機翼在翼尖位置將雙天平連接起來，通過安裝在機翼中間的專用加載裝置對雙天平實施同時加載。雙天平加載坐標如圖2。

圖1 雙天平、機翼及加載裝置連接結構圖Fig.1 Connection of the twin balances，wing and load device

圖2 雙天平加載坐標系Fig.2 Loading reference frame for the twin balances

為了實現X分量加載，需要克服雙支撐機構上的過渡軸架的阻擋，為此專門設計了阻力拉框，用來實現過渡軸架前后鋼絲的連接，阻力拉框的布置如圖3。

圖3 阻力拉框的布置Fig.3 Layout of the axial force

通過對雙天平進行單元加載、綜合加載，驗證雙天平同時工作時數據處理方法的可靠性。

（4）現有校準架不能滿足雙天平同時校準，但BCL-20000校準架完全能滿足單臺天平分別進行校準，而雙天平同時加載進行數據處理方法的可靠性驗證時，可以將所加載荷降低。

3 校準結果

3.1 單天平的校準

首先進行單天平的校準。單天平的校準是在BCL-20000校準架上完成的，校準方法同常規天平的校準方法，采用體軸系校準［1］。通過校準設備，調整校準支桿及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致。1＃、2＃單天平綜合加載的加載值和不確定度如表2［2］。從表中可以看出，兩臺天平各分量的校準不確定度均優于2‰。

表2 單天平綜合加載值和不確定度Table2 Loading loads and uncertainty for the single balance

3.2 雙天平的校準

為了驗證“利用兩臺單天平的校準公式，給出合理的雙天平同時工作的數據處理方法”的可靠性，對雙天平同時進行了單元加載、綜合加載。將雙天平的固定端分別安裝在雙支撐系統的兩端，再通過試驗機翼將雙天平的自由端相連接。雙天平的校準采用體軸系校準，通過校準設備，調整雙支撐系統及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致。首先利用專用加載裝置對雙天平同時進行加載，得出每臺單天平各分量的初末讀數；然后按照每臺單天平校準公式分別進行計算；最后將兩臺天平各分量的計算結果分別進行疊加。另外，兩臺天平的校準中心與加載裝置的加載中心不可能完全重合，由此產生的力矩影響必須計算在內。

雙天平同時加載在BCL-20000 校準架上完成。利用雙支撐、試驗機翼、專用加載裝置，實現雙天平同時加載，實際加載情況如圖4。利用專用加載裝置，對雙天平的Y、X、Mz、Mx進行了單元加載和綜合加載。

圖4 雙天平加載方案Fig.4 Loading scheme for the twin balances

由于目前校準架受限，經過計算，只能對雙天平同時加載480kg的砝碼。雙天平的單元加載值和校準不確定度如表3所示。從表中可以看出，雙天平同時進行單元加載時，各分量的校準不確定度均優于或等于3‰。

表3 雙天平單元加載值和不確定度Table 3 Loads and uncertainty of single-component calibrationfor the twin balances

雙天平的綜合加載值和不確定度如表4 所示。從表中可以看出，雙天平同時進行綜合加載時，各分量的校準不確定度均優于3‰。

表4 雙天平綜合加載值和不確定度Table 4 Loads and uncertainty of six-component calibration for the twin balances

校準結果表明：在綜合加載的載荷遠小于雙天平載荷的情況下，雙天平同時進行的單元加載和綜合加載的校準不確定度均能完全滿足風洞試驗的需要。因此，“雙天平同時工作的數據處理方法”是合理、可靠的。

4 雙天平的風洞試驗

翼尖支撐雙天平的風洞試驗是在FL-26跨超聲速風洞中進行的。試驗中模型的橫向載荷、滾轉載荷均很小，為了避免由于雙支撐系統等變形引起的迎角變化的影響，使用了迎角傳感器對模型的迎角進行實時測量，并進行數據處理。

表5是雙天平的風洞試驗結果，給出了縱向氣動力系數試驗均方根誤差。可以看到，系統重復性精度達到或接近國軍標先進指標。

表5 雙天平的風洞試驗結果Table 5 Wind tunnel test results for the twin balances

5 結 論

（1）翼尖支撐雙天平同時工作的測量結果可以通過兩臺單天平的數據合成；

（2）雙天平校準結果和試驗結果表明，雙天平校準技術合理、可靠；

（3）該雙天平校準技術的應用成功，將為后續風洞測力試驗提供必要的理論基礎和試驗依據。

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