高超聲速風洞多天平測力試驗技術研究

舒海峰, 許曉斌, 孫 鵬

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

在高超聲速風洞氣動力試驗中，為了能夠更加直觀地了解舵-體干擾、舵-舵干擾等復雜流動狀態對舵面氣動特性的影響，同時也為了盡可能地減少試驗車次降低試驗成本，設計單位希望在同一車次試驗中同時測量全彈和多個舵面的氣動力。要實現這一要求，必須解決兩個關鍵技術問題，即鉸鏈力矩測量試驗技術和多天平測力試驗技術。

經過幾十年的發展，國外從亞聲速到高超聲速范圍內的鉸鏈力矩測量試驗技術已經非常成熟。并在此基礎上，發展了多種工程預測方法和計算程序[1-6]。國內從上世紀60年代起，為滿足型號試驗的需要，開始開展鉸鏈力矩測量試驗研究。20世紀80年代特別是90年代以后，為滿足高性能戰術導彈、帶控制翼的機動彈頭和航天運載器快速發展的需要，國內各研究單位相繼建立了高超聲速鉸鏈力矩試驗技術[7-10]。

多天平測力在亞跨超聲速風洞中的應用已經非常成熟。但是，在高超聲速風洞中，由于模型尺寸小、來流溫度高，多天平的布局比較困難，所以目前國內在高超聲速風洞中進行的多天平測力試驗相對較少。航天十一院陳河梧等提出了一種能夠用于高超聲速風洞鉸鏈力矩測量的多天平布局方案[11]。尚沒有看到國內其它單位在這方面研究的公開報道。

經過多年的探索，中國空氣動力研究與發展中心超高速所已經具備了開展高超聲速鉸鏈力矩試驗的能力，并在Φ1m高超聲速風洞中開展了多天平測力試驗技術研究，研制了多臺鉸鏈力矩天平，開展了風洞試驗，同時獲得了全彈和三個控制舵的氣動特性。

1 研究方案

1.1試驗裝置布局

由于所用的試驗模型的徑向尺寸小，而軸向尺寸相對較大，為了能夠同時測量左右升降舵和方向舵的氣動力，采用了鉸鏈力矩天平軸線與測量舵轉軸互相垂直的“縱軸式”布局方式，如圖1所示。

1.2鉸鏈力矩天平研制

鉸鏈力矩天平是測量舵面氣動力的核心部件。因此，天平研制是進行本項研究的主要工作之一。

1.2.1結構設計

在本研究中，天平的軸線與舵面轉軸垂直，當改變舵面偏角時，天平保持不動，因此，天平測量得到的氣動力必須經過坐標系轉換才能得到舵面氣動力。以右升降舵為例，坐標轉換關系為：

圖1 試驗裝置

NsY=AsYbsinδ1+NsYbcosδ1

(1)

ZsY=ZsYb

(2)

MxsY=(MxsYb-NsYb·zs)cosδ1+MysYbsinδ1

(3)

MysY=(MysYb+ZtsYb·xs-AsYb·zs)·

cosδ1-MxsYb·sinδ1

(4)

MzsY=MzsYt-NsYt·xs

(5)

其中，AsY：軸向力，N；NsY：法向力，N；ZsY：側向力，N；MxsY：滾轉力矩，N·m；MysY：偏航力矩，N·m；MzsY：俯仰力矩(鉸鏈力矩)，N·m；xs：升降舵力矩參考點與升降舵鉸鏈力矩天平校準中心之間的軸向距離，m；zs：升降舵力矩參考點與升降舵鉸鏈力矩天平校準中心之間的側向距離，m；δ1：右升降舵偏角，(°)。式中下標b表示天平測量值。

由公式(1)可知，作用在天平軸向上的氣動力在升降舵的法向(或方向舵的側向)將產生分量，隨著舵偏角的逐漸增大，這一分量呈非線性增大的趨勢。不測量天平的軸向力會對舵面氣動力的測量結果造成一定影響，試驗數據很難修正。因此，天平設計了軸向力元，當測量結果由天平坐標系向舵面坐標系轉換時，它作為計算升降舵法向力(或方向舵側向力)的分量之一。通常情況下，測量升降舵的軸向力、法向力、俯仰力矩和滾轉力矩就可以確定升降舵鉸鏈力矩的大小和舵面壓心的位置(方向舵也類似)。但是，由于舵面的壓力中心遠離天平軸線，天平的軸向力受偏航力矩的干擾較大，而偏航力矩又受側向力的干擾。因此，為了盡可能準確測量舵面的氣動力，必須將天平設計成六分量天平。

采用六分量鉸鏈力矩天平的主要技術難點是天平的總體尺寸受到模型內腔空間的嚴格限制。升降舵天平的測量元件部分長20mm、寬20mm、高25mm，按照常規的桿式天平設計方法，很難在這么小的空間內布置六分量測量元。在綜合考慮天平總體尺寸、靈敏度、剛度和貼片的方便性之后，確定采用“矩形框架+三片梁”串聯的結構形式。圖2為升降舵鉸鏈力矩天平示意圖。其中，矩形框架梁的上下表面測量軸向力，彈性鉸鏈附近的內側表面測量升降舵的側向力和偏航力矩(或者方向舵的法向力和俯仰力矩)，三片梁測量其它三個分量。這種結構的優點是：(1) 有效縮短了天平的長度，滿足天平總體尺寸較小的要求；(2) 各分量的靈敏度均比較合適；(3) 給貼片留出了較大的空間。方向舵鉸鏈力矩天平的結構與此類似(圖3)。

圖2 升降舵鉸鏈力矩天平示意圖

圖3 方向舵鉸鏈力矩天平示意圖

1.2.2天平校準

此次選取的測量舵為矩形舵，舵面的壓力中心位于舵面型心附近，而舵面型心與天平軸線的距離較大，作用在舵面上的氣動力會產生相對于天平設計中心的附加力矩，而且量值較大。而在常規天平校準方法中，加載中心與天平設計中心往往是重合的，進行單純的力加載時并不會產生附加力矩。因此，常規天平校準裝置和校準方法不能準確地模擬天平的實際工作狀態，不適用于本項研究的天平的校準。

(1) 校準裝置

為了更加準確地模擬天平的工作狀態，專門設計了兩件加載頭，分別用于升降舵天平和方向舵天平的校準。加載頭的型心位置與舵面型心的位置基本重合。以加載頭的型心為加載中心，在加載中心及其前后左右對稱布置多個加載點，使其能夠實現升降舵鉸鏈力矩天平的法向力、俯仰力矩和滾轉力矩(或者方向舵的側向力、偏航力矩和滾轉力矩)的校準；在加載頭的前后兩個加載點處各加工一個“V”形槽，使加載頭和天平轉90°后能夠進行升降舵側向力和偏航力矩(或者方向舵法向力和俯仰力矩)的校準；在加載頭的側后方設置了1個加載點，實現軸向力校準。圖4為升降舵加載頭的設計圖，圖5為天平校準裝置照片。

圖4 升降舵天平加載頭

圖5 天平校準裝置

(2) 校準方法

對升降舵天平而言，除了法向力、軸向力、俯仰力矩和滾轉力矩的相互干擾之外，側向力和偏航力矩對其它分量(特別是軸向力)的干擾也比較嚴重。因此，在設計加載表時，除了有單元加載(相對加載中心而言，下同)之外，還進行了組合加載，以升降舵天平為例，組合加載時的各測量元組合包括N-Mz、N-Mx、A-Mx、A-N-Mz、Z-My、A-Z和A-Z-My等7種。采用含27項系數的顯式校準通式計算天平的系數。鉸鏈力矩天平的主要技術指標見表1。除幾個小量(升降舵天平的側向力和偏航力矩、方向舵天平的俯仰力矩)之外，其它各測量元的靜校準度達到或接近常規天平的要求。

表1 天平主要技術指標

1.2.3減小溫度效應影響的措施

目前常用的減小天平溫度效應影響的措施主要有：加裝隔熱裝置、選用中溫應變計和電阻橋路補償等。在本項研究中，受安裝空間的限制，不能安裝隔熱裝置。因此，在貼片時選用了中溫應變計，在組橋時進行了電阻橋路補償。

在環境溫度20℃到60℃范圍內，橋路補償前天平的零點漂移約為0.10～0.15mV。溫度補償后，環境溫度從20℃上升到60℃，天平的零點漂移最大為0.05mV左右，最小值小于0.01mV。補償起到了預期效果。

1.3舵偏角變換裝置設計

本項研究的另外一項重要工作就是舵偏角變換裝置的設計。

變換舵面偏角是否準確、方便是影響舵面氣動力測量精準度和試驗效率的重要因素。本次試驗采用了天平-舵偏角變換裝置一體化設計。所謂“一體化”設計，就是將天平與舵偏角變換裝置設計成組合元件，即在天平的自由端設計一個帶有角度定位孔的法蘭盤，在測量舵上也設計一個帶有角度定位孔的法蘭盤，通過兩個法蘭盤上不同的角度定位孔的組合實現舵面角度的變換(圖6)。這種方式具有良好的定位精度，安裝也比較方便。

圖6 角度變換裝置示意圖

1.4風洞試驗

1.4.1試驗設備

試驗在CARDC的Φ1m高超聲速風洞上進行。該風洞為一座高壓下吹-真空抽吸、暫沖式運行的常規高超聲速風洞，配備了出口直徑為1m、名義馬赫數為4、5、6、7和8的型面噴管，模擬高度20～60km(隨M數的不同模擬范圍有所不同)，試驗時間30s。風洞配備了較完善的測控系統，可以滿足試驗中的各種參數測量和處理、流場顯示與記錄的需要。

1.4.2試驗條件

試驗來流馬赫數5，總壓1.0MPa，總溫345K。迎角范圍為-5°～+17.5°，升降舵偏角為-20°、-10°、0°和10°，方向舵偏角為0°、2.5°、5°、10°、15°和20°。

1.4.3試驗裝置

試驗模型通過尾支桿與風洞迎角機構固連。天平的固定端通過正方形柱面配合定位、螺釘拉緊的方式安裝在支座上，支座與彈身固連。天平的自由端與測量舵上的法蘭盤連接，并用螺釘拉緊。測量舵除與天平連接之外，與試驗裝置的其它零部件均無剛性接觸，舵與彈身之間留有0.5～0.7mm縫隙。

2 試驗結果

圖7給出了方向舵偏角為0°，升降舵偏角分別為-20°、-10°、0°和10°時左右升降舵的CNS、CMZS隨迎角變化的曲線圖。通過對比，左右升降舵的法向力和俯仰力矩(即升降舵鉸鏈力矩)均具有較好的一致性。

(a) CNS-α曲線

(b) CMZS-α曲線

圖8給出了升降舵偏角為0°，方向舵偏角分別為20°時方向舵的側向力系數和全彈的側向力系數的對比曲線。

圖8 全彈和方向舵側向力系數隨迎角變化曲線

全彈天平測量到的側向力主要包括3個部分：氣流直接作用在方向舵上的側向力、彈體對方向舵的干擾以及方向舵偏轉對彈體的干擾。而作用在方向舵上的側向力只包括前兩部分。因而，方向舵側向力與全彈側向力略有差異。

3 結 論

通過在Φ1m高超聲速風洞上開展多天平測力試驗技術研究，可以得到以下結論：

(1) 采用鉸鏈力矩天平軸線與測量舵轉軸互相垂直的“縱軸式”布局方式解決了試驗模型的徑向尺寸小導致的多天平布局難度大的問題；

(2) 對鉸鏈力矩天平的結構形式、校準裝置、校準方法和減小溫度效應影響的措施等關鍵技術問題進行了研究，并采取了合理的解決方案，天平的靜校準度達到或接近了常規天平的技術水平；

(3) 通過采用天平-舵偏角變換裝置一體化設計，有效保證了舵偏角的變換精度。

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作者簡介:

舒海峰(1980-)，男，山東濱州人，高級工程師。研究方向：高超聲速風洞氣動力試驗技術。通訊地址：四川安縣131信箱(622663)； E-mail:shuhaifeng892@sohu.com