一體化五分量鉸鏈力矩天平研制*

張 遜，李付華，朱本華，趙亮亮，練真增

(1 中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速空氣動力研究所， 四川綿陽 621000；2 成都特思廷科技有限公司， 成都 610000)

0 引言

鉸鏈力矩(HM)是設計飛機操縱系統的重要依據。鉸鏈力矩可通過理論計算和風洞試驗兩種方法獲得。通常在風洞中進行飛機模型鉸鏈力矩試驗，直接測定舵面的鉸鏈力矩[1]。風洞試驗中為了得到舵面弦向壓心位置，通常需要測量法向力(FN)。如果關注舵面在展向的壓心位置，還需要測量滾轉力矩分量。當舵面角較大時，阻力將對法向力測量產生顯著影響，這時需要增加測量阻力分量。

根據測量要求，鉸鏈力矩天平一般設計成四分量、五分量或六分量等。如何確定天平分量，除了根據測量需求，還要根據天平結構而定。原則上不能通過結構徹底分解的分量都要測量，以通過電氣分解得到更為精準的試驗數據。

圖1是荷蘭宇航院(NLR)研制用于增壓風洞鉸鏈力矩試驗的副翼天平[2]，天平元件為片梁式結構，與機翼融為一體。該結構型式天平結構緊湊，但一般只測量兩到3個分量，其它未測分量對目標分量(FN，HM)干擾造成的誤差?1%。為提高測量精度，又布置了一臺二分量天平測量作用在翼梢上的升力和彎矩，對目標分量(FN，HM)進行修正，修正后天平靜態(tài)準度誤差達到了3%。

圖1 DNW風洞副翼天平

圖2為中國航空工業(yè)空氣動力研究院(AVIC)研制的四分量鉸鏈力矩天平，在片梁式結構的基礎上串聯了一個阻力元件，增加阻力測量以提高舵面法向系數和壓心位置測量的準確度[3]。該天平為串聯式結構，有利于天平各分量之間的干擾分解，但是結構尺寸較大，不適用于模型空間尺寸特別小的場合。

圖2 四分量鉸鏈力矩天平

圖3是中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)經典的鉸鏈力矩測量結構方案，雙支撐式五分量天平埋于模型腔體內，外面安裝蓋板。這種方案可以實現除軸向力以外的5個分量的全部測量，各分量之間的干擾可以直接修正，天平精度高，通用性好，可以滿足大多數鉸鏈力矩試驗需要。

圖3 鉸鏈力矩測量傳統方案

1 一體化五分量鉸鏈力矩天平

一體化五分量鉸鏈力矩天平方案是為解決安裝空間狹小問題提出來的。在某型飛機鉸鏈力矩試驗中，試驗要求能夠同時測量垂尾前后舵面的鉸鏈力矩,表1給出了前方向舵天平的設計載荷(各分量按照風軸系定義，下同)。但由于模型尺寸小，常規(guī)五分量方案設計的鉸鏈力矩天平，結構上很難實現，也無法滿足測量要求，如圖4所示。

表1 天平設計量程

圖4 某型飛機鉸鏈力矩試驗模型

主要有以下技術困難：

1)天平布置困難，在弦向不足200 mm的垂尾上串聯布置2臺天平，不易實現。

2)天平剛度差，去掉支撐連接和蓋板占用的模型尺寸，天平可用空間很小，在厚度方向表現最為明顯。

3)天平載荷在前后、上下兩個測量方向差異較大。鉸鏈力矩力臂較短，而俯仰力矩力臂相對較長。這導致了鉸鏈力矩載荷較大，而俯仰力矩載荷較小，天平載荷上不匹配。

為了解決這些困難，文中提出了一體化鉸鏈力矩天平測量技術方案：在典型雙支撐式五分量天平結構基礎上，將天平和模型設計成一個整體，表面修型或者局部安裝蓋板以適應翼型形狀。天平結構如圖5所示。采用三柱梁組合元件測量方向舵天平的5個分量。利用兩側的梁測量法向力、鉸鏈力矩和滾轉力矩，利用中間梁測量阻力和偏航力矩。

圖5 天平結構和測量方案

各分量電橋組合信息如下：

法向力:B1+B2+B3+B4

滾轉力矩:B3+B4-B1-B2

軸向力:B5+B6

俯仰力矩:B6-B5

鉸鏈力矩:B2+B4-B1-B3

2 優(yōu)化設計

一體化設計雖然解決了模型尺寸小的問題，但各分量間干擾較大，應用基于SolidWorks simulation的虛擬校準方法[4]進行計算分析，結果如表2、圖6所示，可以看出俯仰力矩受到的干擾總量達到了77%，同時軸向力和俯仰力矩輸出也非常小。

圖6 SolidWorks simulation分析結果

表2 優(yōu)化前的干擾輸出計算結果

2.1 干擾優(yōu)化

該方案分量之間干擾大是由于天平上下結構不對稱，測量單元受力后變形不一致導致應變輸出較大差異造成的。為了解決上下元件在受力時應變輸出不一致、分量之間干擾大的問題，采取了在力矩方向剛度較大部分切縫的方法，通過控制切縫的位置使上下元件的輸出趨于一致，如圖7。

圖7 切縫結構優(yōu)化

結構優(yōu)化后的計算結果如表3所示，俯仰力矩分量干擾從之前的77%降低到16.5%。但是，軸向力和俯仰力矩的應變輸出依然較低，優(yōu)化后為67.9、28.5，和優(yōu)化前的68.1、21.3相當。

表3 切縫后的計算結果

2.2 輸出優(yōu)化

為了改善軸向力和俯仰力矩分量的輸出，通常采取的措施是減小“三柱梁”之側梁的尺寸。但是，如果天平元件尺寸過小(<2 mm)，將導致應變計粘貼工藝性差或者無法粘貼應變計，嚴重影響應變計的穩(wěn)定性。即便考慮利用剪應變測量，靠內側的天平元件應變計粘貼和加壓工藝也都很難實現。

基于此考慮，采取了在側梁上局部切槽(如圖8所示)，既改善了剛度分配，又提供了足夠的應變計粘貼工藝尺寸。使用SolidWorks simulation有限元軟件進行計算分析,計算結果見表4。

圖8 側梁上局部切槽

2.3 最終優(yōu)化結果

從表2～表4可見，結構優(yōu)化效果十分顯著：軸向力的應變輸出從68.1增加到210，俯仰力矩的應變輸出從21.3增加到53，同時俯仰力矩受到的干擾總量從77%降至10%。

表4 側梁局部切槽后的計算結果

3 校準和測試

與常規(guī)天平相比較，鉸鏈力矩天平由于受到其安裝空間限制，其框體剛度通常較弱，以至于天平的靈敏度輸出容易受到外界附加剛度的影響。為檢驗天平的可靠性，除了正常靜態(tài)校準以外，在正式風洞試驗之前，還將舵面模型安裝在天平上，通過舵面給天平施加檢驗加載(圖9)，以及時發(fā)現可能存在的問題。

圖9 帶舵面檢驗加載

3.1 校準設備

天平在BCL-5K六分量地軸系天平校準架(圖10)上校準，主要技術指標：

圖10 校準設備

加載量程(法向力) ：500～5 000 N；

加載準度：優(yōu)于0.05%。

3.2 靜態(tài)校準

采用單元校的方法在BCL-5K天平校準架上完成校準。校準結果如表5所示, 各項指標滿足《風洞應變天平規(guī)范》[5](GJB2244A—2011)規(guī)定的合格要求。

表5 靜校結果[6]

3.3 帶舵面檢驗加載

檢驗加載方法如圖9所示，天平外框安裝在機翼(垂尾)安定面上，內框通過角度塊與舵面連接。安定面與支座固連。在舵面上選擇一適當位置作為施力點，在重力方向通過尼龍繩懸吊砝碼施加載荷。根據檢驗加載采集的電壓信號和靜態(tài)校準得到的天平公式，計算得到檢驗加載結果如表6、表7所示。

表6 法向力檢驗加載結果(同一加載位置)

表7 軸向力檢驗加載結果(同一加載位置)

法向力加載相對誤差在0.2%以內，滾轉力矩方向力臂最大偏差0.02 mm，鉸鏈力矩方向力臂最大偏差0.03 mm；軸向力加載相對誤差1.5%以內，俯仰力矩方向力臂最大偏差0.05 mm。

3.4 風洞試驗結果

某型飛機鉸鏈力矩試驗在8 m×6 m風洞中圓滿完成。圖11給出了法向力和鉸鏈力矩的重復性(重復5次)試驗曲線。其中，橫坐標為飛機模型迎角α，縱坐標分別為法向力系數CN和鉸鏈力矩系數Ch。

圖11 風洞試驗結果

4 結論

校準和測試結果表明，文中針對五分量鉸鏈力矩天平進行的一體化研制是成功的。該方法優(yōu)點主要有以下幾點：

1)一體化五分量鉸鏈力矩天平在結構上靈活緊湊，既繼承了雙支撐式五分量天平的優(yōu)點，又解決了模型安裝空間受限的問題。

2)通過一體化設計可以極限利用模型空間尺寸，提高天平總體剛度，避免了在框體剛度不足的情況下天平靈敏度受到附加連接剛度的影響。

3)通過調整天平框體剛度，使天平位置對稱的元件應變輸出趨于一致，可以改善天平應變分布，降低各分量之間的干擾。

4)為了協調解決天平元件應變輸出與應變計粘貼工藝尺寸之間的矛盾，可以考慮在元件上開槽，實現在不犧牲應變計粘貼工藝尺寸的前提下，提高元件輸出和降低分量間干擾。