連續式跨聲速風洞中帶真實舵機的舵面顫振試驗

韓江旭, 劉南, 史曉鳴, 郭晉, 王松, 于賢鵬

1.北京航空航天大學, 北京 100191; 2.中國航空工業空氣動力研究院, 遼寧 沈陽 110034；3.上海機電工程研究所, 上海 201109

顫振是一種具有破壞性的氣動彈性動不穩定性現象，飛行器強度規范中對顫振特性提出了明確的規定[1]，要求飛行器在整個飛行包線范圍內留有至少15%的速度裕量，以及最低0.03的阻尼裕量。風洞試驗是研究飛行器顫振特性的重要方法和手段[2-3]。但是，“十三五”以前國內高速風洞均為暫沖式，該類型風洞存在吹風時間短、沖擊載荷大、容易出現速壓超調等缺點[4-7]，并不十分適合開展顫振試驗研究，在一定程度上制約了試驗技術發展。“十三五”期間，中國航空工業空氣動力研究院建成了FL-61(0.6 m×0.6 m)和FL-62(2.4 m×2.4 m)2座連續式跨聲速風洞并投入使用，馬赫數范圍0.2～1.6，總壓范圍0.02～0.4 MPa，其長時間運行能力和速壓范圍寬的特點非常適合開展顫振試驗研究。但是，需要重點關注顫振試驗安全防護，以防模型顫振破壞后碎片損傷風洞壓縮機葉片。

本文在FL-61風洞建立了連續式跨聲速風洞顫振試驗技術，并開展了根部固支和舵機支撐2種方式的舵面顫振試驗研究。

1 試驗模型

試驗模型為鈦合金骨架模型，試驗支撐有2種形式-根部固支和舵機支撐(包括機械舵機和真實舵機，2種條件下舵軸和舵機連接形式一致,區別在于真實舵機增加了舵反饋控制 ), 并通過轉接件與風洞轉窗連接，如圖1所示。模型在試驗現場安裝如圖2所示。

圖2 風洞試驗現場

通過地面振動試驗(ground vibration testing,GVT)獲取舵面模型在不同支撐條件下的模態信息，表1為模態頻率，圖3為真實舵機支撐條件下結構振型測試結果，阻尼比為0.838%和0.478%。通過前期的數值分析，結果表明試驗模型顫振主要是由前兩階結構模態耦合導致的，另外由于試驗模型厚度較薄，所以避開前兩階結構振型節線位置,在翼根靠近后緣處安裝了一個加速度計，用于測量試驗過程中模型的振動情況，基本能夠反映試驗模型的顫振特性。

表1 舵面模態頻率

圖3 真實舵機支撐條件下結構振型測試結果

2 流場控制與安全防護方法

2.1 風洞流場控制方法

分別采用定馬赫數階梯變速壓和連續變速壓2種方式進行顫振試驗。

馬赫數控制系統采用前室總壓和駐室靜壓作為反饋信號，經計算得到實際馬赫數，與目標馬赫數進行對比，差值作為控制系統的輸入。經過流場控制系統的計算，向壓縮機系統發出運行指令，通過改變壓縮機轉速改變來流馬赫數。壓力控制系統直接以前室總壓作為被控對象，通過中壓控制系統完成增壓或降壓控制，如需要將壓力降至負壓條件(前室總壓0.1 MPa以下)，還需要啟動真空控制系統。

本次試驗啟動方式分為2種：①常壓啟動，逐漸增加壓縮機轉速，接近目標馬赫數進入閉環控制；②負壓啟動，首先利用真空系統抽氣降低總壓至負壓條件，然后逐漸增加壓縮機轉速，接近目標馬赫數后進入閉環控制。待馬赫數穩定后，通過中壓系統補氣逐漸增加總壓，馬赫數控制精度通過壓縮機-馬赫數控制回路進行調節，控制精度可以達到±0.001，總壓控制精度也可以達到±100 Pa。

對于階梯變速壓試驗方式，在指定馬赫數下達到指定總壓階梯后維持一定時間，由動態數據采集系統獲取模型振動信號，并進行模態穩定性參數處理和分析，外插得到顫振邊界，根據外插結果給出下一個總壓階梯。對于連續變速壓試驗方式，自動控制中壓系統進行補氣，直到達到目標總壓為止。

2.2 安全防護方法

可靠的安全防護方法是在連續式風洞開展顫振試驗的前提條件。一方面，利用FL-61風洞防喘閥實現流場快速降速壓，圖4為馬赫數0.8、總壓0.1 MPa工況下，在t=0時刻打開防喘閥后來流馬赫數和速壓的變化趨勢。結果表明，打開防喘閥后t=2 s時，來流馬赫數下降了0.25，速壓由29.5 kPa下降至16.5 kPa，下降了約44%。

圖4 防喘閥打開后來流馬赫數和速壓的變化趨勢

另一方面，在Labview開發環境編寫了顫振試驗安全防護控制程序，如圖5所示，綜合了振動信號采集/顯示/頻譜分析、安全防護和數據存儲等功能，在程序界面上可根據具體情況選擇某一信號通道作為安全防護判據，如果該通道幅值超限，則安全防護程序會向防喘閥控制系統發出指令，打開閥門。另外，還配備了人工緊急關車按鈕，如果程序出現錯誤，則可通過人工手動操作打開防喘閥。

圖5 安全防護程序界面和流程

此外，還在試驗段下游(一拐前緣)加裝了防護網(包括一套格柵網和一套鋼絲網)，如圖 6所示。即使模型發生顫振破壞，也會被防護網攔截下來，不至于被吹到下游，損壞風洞壓縮機葉片。

圖6 顫振試驗安全防護網

在試驗過程中，安全防護程序會自動分析模型振動情況，一旦發現振動超限，則發出指令打開防喘閥；另外，試驗人員可通過高清攝像機和高速攝像機同時監控模型振動情況，一旦發現模型振動幅度過大，也可手動操縱緊急按鈕打開防喘閥，確保試驗的安全性。上述安全防護系統在本次試驗中起到良好的作用，如圖7所示。在完成試驗模型安裝和GVT測試后，人為給定一個較大的激勵，獲得加速度計響應幅值，加速度安全防護閾值一般可以設置為該幅值的1.5～2倍，并且在試驗過程中針對模型實際振動情況對閾值進行調整，本次試驗最終設定為100g。當模型振動超限時，安全防護系統啟動，加速度響應幅值快速下降，對模型起到很好的保護作用。

圖7 安全防護系統在本次試驗中的實際效果

3 顫振試驗結果分析

3.1 試驗數據處理

顫振試驗時域結果如圖8所示。在每個有效的試驗時間范圍內進行頻譜分析，每段取5 s，重疊率20%，也就是每隔4 s進行一次頻譜分析。對于階梯變速壓試驗方式，在每個階梯內按上述方式進行處理；對于連續變速壓試驗方式，在整個變速壓過程中按上述方式進行處理，速壓取平均值。

圖8 顫振試驗時域響應

對連續變速壓試驗結果進行頻譜分析，可以得到頻譜隨來流速壓的變化趨勢。如圖9所示為馬赫數0.8工況下，試驗過程中加速度幅值隨速壓和頻率的變化趨勢。由圖可見，隨著來流速壓的增加，一階(30 Hz左右)和二階(55 Hz左右)模態頻率逐漸靠近，而且二階振動能量逐漸變強，在顫振點附近急劇增加。

圖9 連續變速壓試驗得到頻譜云圖

3.2 顫振邊界分析

利用峰值倒數外插顫振邊界。圖10a)和10b)分別是階梯和連續變速壓2種試驗方式得到頻譜峰值倒數1/A隨來流速壓Q變化趨勢(馬赫數0.8)，其中圓點為試驗結果，實線為線性擬合曲線。通過線性外插得到顫振邊界分別是66.49和66.93 kPa，差別小于1%。

圖10 2種試驗方式得到的頻譜峰值倒數隨來流速壓的變化趨勢

最終得到試驗模型顫振邊界如表2所示。與根部固支相比，安裝條件換成機械舵機后，由于結構形式有一定差別，顫振邊界下降約4.5 kPa；增加舵反饋后，顫振速壓提升約10%，這是因為舵機反饋相當于給舵機振動提供一個負阻尼。

表2 舵面顫振邊界

4 結 論

1) 本文建立了連續式跨聲速風洞顫振試驗安全防護方法，結合防護網、防喘閥、安全防護控制等手段保證顫振試驗安全性，通過本次試驗得到很好的驗證；

2) 通過階梯和連續變速壓方式進行顫振試驗，結果基本一致，其中前者便于試驗人員在試驗過程中進行數據分析和判斷，后者效率較高；

3) 很難建立真實舵機支撐條件的數學模型，因此無法通過數值計算得到帶真實舵機以及舵反饋的舵面顫振特性，可以通過風洞試驗進行研究。通過風洞試驗發現，對于本文的模型和舵機，舵反饋相當于給舵面提供了一個負阻尼，顫振速壓增加約10%。