多用途舵機測試機構的設計

田洪清，紀斌義，秦 成

（92228部隊， 北京 100072）

0 引言

對舵機系統(tǒng)以及與其相連的翼展的控制是對整個潛航器或飛行器設計的重要組成部分，傳統(tǒng)設計方法是根據(jù)經(jīng)驗先對控制翼外形尺寸，舵機系統(tǒng)的結構，以及電機的選型進行初步設計，然后對系統(tǒng)進行計算和校核，在此基礎上對整個系統(tǒng)進行風洞模擬試驗，根據(jù)測試結果對系統(tǒng)設計改進。順利情況下，往往需要3～5個輪次的設計、制造和測試結果對比分析，才能得出優(yōu)化結果，每個輪次設計、加工和測試時間比較長，測試成本高，嚴重影響了飛行器舵機控制系統(tǒng)設計效率。為降低飛行器設計周期，提高工作效率，降低測試成本，研制了能夠模擬風洞環(huán)境的舵機測試裝置。

1 舵機測試的難點分析

1.1 位置鎖定分析

由于潛航器和飛行器外形和尺寸形狀各異 （一般大于20cm），重量較大（大于20kg），由于動力外形上的考慮，其外表一般呈圓柱形，往往不容易固定，若采用臨時的固定方法，則不能保證其固定的牢靠性，測試過程中容易發(fā)生偏轉或共振，影響測試精度，同時也難以保障其固定在完全水平的狀態(tài)上，這也會影響測試的對稱性。而由于其內(nèi)部不是均質(zhì)結構，重心一般情況下不在幾何位置的中心，測試時不易保持穩(wěn)定，一旦發(fā)生振動會導致其位置發(fā)生變化，因而經(jīng)常影響測試結果，造成測試數(shù)據(jù)的偏差，從而影響潛航器或飛行器的舵機設計精度。

1.2 工作環(huán)境模擬分析

舵機工作環(huán)境模擬困難，測試成本高。潛航器和飛行器正常的工作狀態(tài)在水中或空中進行，速度非常高（一般2倍于音速），其受到的阻力主要來自于水動力或空氣阻力。潛航器或飛行器主要靠舵機來控制翼展的角度，從而達到改變飛行軌跡的目的，為測試舵機的控制效果，需要對翼展在受到的水動力或空氣阻力的情況下，對舵機的控制效果進行測試，測試手段有三種：一是讓潛航器或飛行器在水中或空中行進時，測試其舵機性能；二是在風洞中模擬其行進阻力，對舵機進行性能測試；三是通過地面模擬設備來進行測試。第一種方法能夠完全再現(xiàn)其行進狀態(tài)，但成本高，而且潛航器或飛行器的動作受到一定限制；第二種方法采用氣動模擬試驗方法，成本相對第一種方法低一些，測試范圍和測試時間可以自由掌控，因考慮測試設備的成本問題，其測試時間和測試過程也受到限制。而第三種地面測試方法，因測試設備可重復使用，成本相當?shù)停腋鶕?jù)需要可以進行一些極限工況的測試工作。

1.3 多工況模擬需求分析

在地面條件下，模擬測試不同的工況面臨很多的困難。潛航器在水中行進，飛行器在空中飛行時，由于翼展的轉動角度不同，在舵片兩側將產(chǎn)生不同的水壓或風壓，在地面模擬測試的試驗過程中，由于在地面設備上，需要根據(jù)不同的轉角變化情況，使得外界環(huán)境對翼展產(chǎn)生不同的作用力，從而使得舵機能夠克服因轉角的變化而產(chǎn)生的動態(tài)作用力，完成對飛行器轉變過程中的受力過程進行模擬。因地面設備在對翼展產(chǎn)生這種動態(tài)力量時方法較為困難，因些給舵機驅動性能測試帶來困難，特別是應對在多種不同海洋或空中環(huán)境下的需求，采用地面模擬方法相有一定難度。

1.4 舵機和翼展傳動機構的耦合效應

由于舵機控制機構所產(chǎn)生的扭矩較大，在水中和空中飛行時，有相應的阻力與其發(fā)生反作用，而在地面測試的過程中，由于缺乏相應的阻力作用，單向舵機控制動力很容易對測試機構產(chǎn)生聯(lián)動耦合效果，從而發(fā)生運動耦合效應。根據(jù)舵機控制算法，在運動過程中，可能會產(chǎn)生較大的飽合控制力，當多次發(fā)生飽合控制量時，形成BANG-BANG控制，舵片和舵機系統(tǒng)很可能會發(fā)生較為強烈自激振蕩過程，振蕩與測試裝置發(fā)生諧振后，對測試結果會有不利的影響，甚至損壞舵機設備和結構，從而影響測試的準確度。

2 舵機測試機構的設計

根據(jù)以上的舵機結構設計要求，潛航器或飛行器舵機測試機構要能夠適用于相應的裝備型號，在不同環(huán)境下多種工況和多種翼展形狀的測試。如圖1所示為對其中一種飛行器的翼展進行測試的技術方案圖。該方案能夠快速安裝并完成對舵機裝置在不同環(huán)境下，多種工況的測試工作，而且該測試機構具備拆裝簡便，測試力矩可調(diào)節(jié)，飛行器外框架結構固定穩(wěn)定的特點。

圖1 舵機測試機構示意圖Fig.1 Rudder testing mechanism illustration

按照舵機測試機構的整體技術方案，可以將整個機構分為三大部分，即底座、前后固定器，鎖緊裝置，加載機構。

2.1 穩(wěn)定的底座設計

舵機測試裝置底座是所有零部件的載體，底座部分重量較大。對于潛航器或飛行器這種振動較大的部件測試試驗，底座的重量需要能夠滿足設備固定要求，并且能夠有效地抑制被測試部件與測試機構之間的共振。為了能夠進一步衰減振動和固定牢固，在設計上還在底座上安裝有地腳螺栓，在進行高頻飽合力矩等極限測試工況條件下，可以將底座通過地腳螺栓固定在地面澆注的安裝柱上，從而達到在高沖擊條件下避免諧振的要求；底座上方設有連接孔，其上方的前后固定器通過這些孔與底座連接，也可以根據(jù)被測部件的不同，在安裝孔上連接不同的前固定座；另外通過底座上的卡口與前后固定器配作連接，可以保障前后固定器能夠將被測組件準確地固定在與地面平行的水平直線上，底座的設備如圖1所示。

2.2 前后固定器設計

舵機測試裝置的前后固定器如圖1所示，固定器用于將飛行器固定在指定位置上，前后固定器上分別設有卡口，其外形尺寸與潛航器或飛行器端口配合，將舵機艙段部分置于前后固定器之間。固定器底部與底座通過螺栓連接，底座與固定器之間通過卡口定位。這樣，舵機艙段就通過前后固定器與底座將飛行器穩(wěn)定地固定在地面上。前后固定器的卡口與底面保證相當精度的距離，從而使得飛行器能夠準確地保持水平狀態(tài)，有利于提高舵機控制系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準確性。前后固定器安裝時，通過底座上的橫向定位裝置，將前后固定器的卡口在水平和垂直位置上對應起來，保證前后固定器卡口的同心度，避免飛行器在橫向方向上受到固定螺栓預緊力的影響，產(chǎn)生預應力，從而能夠有效地防止舵機艙段發(fā)生變形，不至于影響舵機艙段的安裝精度，避免產(chǎn)生測試誤差。

2.3 空氣阻力扭矩模擬器設計

根據(jù)空氣動力學原理，舵機受到的空氣阻力與其截面面積在速度方向上的投影面積成正比，即：

其中F—舵片阻力；S—截面投影面積；V—速度；ρ—空氣密度；C—阻力系數(shù)。

在轉角15°范圍內(nèi)，投影面積與轉角之間的關系可近似以計算公式（2），即投影面積與轉角之間存在線性比例關系，可與公式（1）聯(lián)立，即阻力與轉角之間存在線性比例關系，而測試裝置就是利用這個原理來模擬舵機裝置在行時工況下的實際阻力，以及動態(tài)響應指標。

式中：S—截面投影面積；f—舵片面積；delta—舵片轉角。

按以上公式原理，在潛航器或飛行器在一定速度下行進，即舵機的轉矩為：

式中：M—阻力矩；F—空氣阻力；b—舵片幾何中心點。

與空氣動力產(chǎn)生的阻力矩相平衡。因此，在設計阻力扭矩模擬器時，用彈簧來模擬空氣阻力力矩，只需滿足彈簧的阻力系數(shù)：

3 結束語

長期以來，潛航器和飛行器舵機的地面測試是總體設計的一個難點，由于涉及到電機、舵機結構、舵片空氣動力學設計等多種因素，因而設計難度大，測試過程周期長，不恰當?shù)脑O計將會影響到設計和試驗工作。本文所提出的舵機測試機構，具有對舵機艙段固定穩(wěn)定，空間定位準確，加載均勻，易于調(diào)整的特點。其結構簡單可靠，測試精度高，測試周期短，成本低，易于操作。該裝置已在多個舵機測試和研制過程中使用，取得了令人滿意的效果，提高了研發(fā)效率，具有很好的實用價值。