一種用于飛機模型動力模擬風洞試驗的空氣橋天平的研制

徐 越， 邱俊文， 李 聰， 徐鐵軍

（1.中國航空工業空氣動力研究院， 黑龍江 哈爾濱 150001；2.低速高雷諾數氣動力航空科技重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

飛機模型動力模擬風洞試驗中的推力矢量技術因其對作戰飛機的性能、 作戰效率和生存能力的極大地提高，已成為許多國家競相發展的航空關鍵技術。目前西方國家第三，四代戰斗機已經大量使用推力矢量技術，正在研制發展的第五代戰斗機均把推力矢量技術作為必備技術之一，而發展推力矢量技術的基礎是研制具有推力矢量偏轉的多功能噴管。在發展飛機模型動力模擬風洞試驗推力矢量噴管技術中，研制一種用于研究推力矢量噴管性能實驗的空氣橋天平變得十分重要。

1 天平總體設計

1.1 天平主要技術難點

該空氣橋天平將用于矢量推力后體測力試驗，要求測量出外流場對內流推進特性的影響，即測量出外部氣動力的同時還要測量噴管推力。 考慮到機身模型內部需要安裝通氣管道，而模型內部空間有限，空氣橋天平體采用環式結構。 通氣管道從天平中間穿過，天平固定端與模型端高壓供氣管路采用波紋管連接，這樣可以有效減小供氣壓力對天平測立的干擾影響。

由于天平采用環式結構，而阻力載荷相對較大，所以阻力段采用“U”型結構。 這樣既能提高阻力測量精度、減小其它分量的干擾，又對整體剛度做了較大的貢獻。 阻力支撐片設置12 片前后對稱；阻力測量片設置4 片。 采用雙四柱梁元件測量其它五個分量；校心置于雙四柱梁元件的對稱中心。 風洞試驗時天平受力較為復雜，這種結構使天平具有較好的力分解能力和較高的剛度。天平前后連接形式采用法蘭盤連接，連接孔為4 個M8 螺孔和2 個銷釘。

天平法向力和力矩電橋組合采用前后貼片組橋，軸向力X 元件貼片盡量靠近根部， 用以粘貼應變片的底基部分，最大應變處就是應變計的有效絲柵部分。 這樣對天平的剛度并沒有損害，但可提高軸向力元件8%～10% 的電壓輸出信號。若用減小軸向力元件厚度的辦法來提高輸出信號，則天平整體剛度就會減弱，各分量對軸向力X 元件的非線性干擾就會加劇， 天平相關設計參數如表1 所示，空氣橋天平結構三維模型如圖1 所示。

表1 天平設計參數表（毫米）Tab.1 Balance design parameters（mm）

圖1 空氣橋天平三維模型圖示意Fig.1 Three dimensional model of air bridge balance

1.2 天平設計計算

天平設計載荷如表2 所示。 應用有限元方法進行天平設計， 將天平測量元件作為彈性元件處理，并劃分為有限個單元。 天平網格劃分采用十結點四面體單元， 這種單元劃分在剛度計算上較為準確。 在天平主體處，網格密度可減少，網格畸變可大些。 在天平測量元件及其附近處，網格密度要大，網格畸變要小，以便能精確計算天平測量元件的應力分布。有限元計算分析采用PATRAN 和NASTRAN 軟件。 結點數200200 為和單元數為125367，天平應變云圖如圖2-9 所示，計算結果如表3 所示。

表2 天平設計載荷Tab.2 Design load of balance

圖2 天平整體變形位移云圖Fig.2 Cloud chart of overall deformation and displacement of balance

圖3 天平整體應力云圖Fig.3 Overall stress nephogram of balance

圖4 升力應變云圖Fig.4 Lift strain cloud

圖5 俯仰應變云圖Fig.5 Elevation strain cloud

圖6 阻力應變云圖Fig.6 Resistance strain nephogram

圖7 滾轉應變云圖Fig.7 Rolling strain nephogram

圖8 側力應變云圖Fig.8 Lateral stress-strain nephogram

圖9 偏航應變云圖Fig.9 Yaw strain nephogram

表3 天平設計參數計算結果Tab.3 Calculation results of balance design parameters

2 空氣橋天平校準設備設計

由于本天平桿徑較大，而升力載荷相對較小。 所以設計的加載設備尺寸較大，這樣會帶來加載設備自身重量較大，考慮到這點選用材料鋁材7075（即LC4），同時保證加載架的剛度。 天平要求校準架具有角度復位功能，這樣在校準過程中能消除系統誤差， 使測量結果更加真實準確。圖10 為校準裝置。該加載架縱向加載臂長420mm，橫向加載臂長600mm。 采用有限元方法對縱向筒剛度進行分析，分析結果如圖11 所示。

天平前端橫向撓度和彈性角f=0.0233mm， 即0.023/420=0.0055%，加載梁前端角度變化θ=0.173"，滿足天平加載精度0.01%要求。

圖10 天平校準加載架三維圖Fig.10 Three dimensional diagram of balance calibration loading frame

圖11 天平整體位移分析Fig.11 Overall displacement analysis of balance

3 天平校準方案

首先進行空氣橋天平的地軸單元靜校， 得到該天平的校準公式，然后對空氣橋天平施加綜合檢驗載荷，計算得出天平的精度指標和準度指標。然后安裝試驗所用設備，進行不通氣載荷靜校，得到此種情況下的天平靜校公式。

由于供氣需要，在天平與固定輸氣管道間安裝了全彈性波紋管。 由于波紋管的存在，為天平帶來了附加力和力矩， 并且該力和力矩隨著波紋管承受的壓力和流量而變化。這種附加力和力矩的存在使天平的測量值與試驗的真實值之間存在很大的差異，因此，為獲得試驗的真實值需要對天平的測量值進行修正。 波紋管安裝組裝完成后，進行空氣橋天平組合靜校。

按上述分析風洞試驗需要通過對天平測量值的兩次修正來獲得試驗的真實值，兩次修正為：按波紋管承受壓力修正和按通過波紋管流量修正。

3.1 波紋管影響的修正-按受壓力

在不加載情況下將尾噴口堵塞，對天平試驗管道進行充氣，此時管路內無流動。 此時波紋管的彈性系數會隨著其承受的壓力不同而改變，使其對天平的附加力和力矩隨壓力而改變，使天平的輸出相應改變。 記錄下壓力和相應壓力下的天平輸出，以未充氣時天平的輸出為零點，計算波紋管因壓力而對天平產生的附加力和力矩，作為波紋管隨壓力變化對天平影響的修正。

3.2 波紋管影響的修正-按流通流量

氣流的流動會使波紋管對對天平的附加力矩和力較無流動時有所改變，必須對天平公式的計算結果進行進一步修正.由于校準所用噴管不是標準噴管，故噴管推力需要由測量和計算得出。 推力公式為：

式中：G—質量流量（kg/s）； R—氣體常數，287.053 m2/s2K°；k—比熱比（冷噴流為1.4）；T0j—噴流總溫（K°）。

用計算得到的真實推力值減掉天平測得的值，并得到在相應壓力下波紋管修正量，即為隨流量的修正量。 記錄下不同壓力下的波紋管修正量，得到推力的修正曲線。 其它分量用相應壓力下天平充氣無流動時天平輸出為零點，得到隨流量變化的修正曲線。

3.3 真實試驗工作環境下校準方法的探索

查閱相關資料，國內相關風洞試驗都是采用上述方法對天平測量值進行修正。這種方法主要是先校準出一套天平公式，然后再用不同的工作環境下通過測量與計算出相應的干擾量進行修正。 但由于天平校準角度，安裝以及其他不可見誤差的產生，這樣得到的最終值是與真實值是有一定的誤差的。本套校準設備能夠實現在供氣管道通氣的環境下對推力矢量天平進行校準，得到各元主系數隨供氣壓力的變化規律修正曲線，通過這種辦法得到的天平公式是比較真實的。

4 結論

空氣橋天平及其校準裝置的研制是一項較為復雜的系統工程，它是多項技術的統一體，其中在真實試驗環境下對空氣橋天平進行校準獲得天平公式在當時我國尚屬首例。經過大量的調研和多方合作精心研制設計的校準裝置和校準方案，能夠實現空氣橋天平的校準要求，并在比較其他類似試驗的基礎上加以創新和改進，是保證試驗獲得準確試驗數據的重要基礎。