李征初，楊 炯，梁 鑒，李金勇

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000）

Φ3.2m風(fēng)洞活動(dòng)地板系統(tǒng)研制

李征初，楊 炯，梁 鑒，李金勇

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621000）

目前在風(fēng)洞中通常采用固定地板和活動(dòng)地板兩種模擬方法開展飛行器地面效應(yīng)研究，確定地面效應(yīng)影響量大小。采用固定地板模擬地面時(shí)，由于存在地板邊界層，不能真實(shí)模擬飛機(jī)近地飛行狀況。采用活動(dòng)地板模擬地面時(shí)，由于活動(dòng)帶運(yùn)行速度和方向與來流一致，在活動(dòng)地板表面不存在邊界層，可以真實(shí)模擬飛機(jī)近地飛行狀況，提高地面效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。介紹了Φ3.2m風(fēng)洞活動(dòng)地板系統(tǒng)的研制情況，對(duì)活動(dòng)地板系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)形式、主要技術(shù)指標(biāo)等作了簡(jiǎn)要介紹。YF－16模型試驗(yàn)結(jié)果表明：Φ3.2m風(fēng)洞活動(dòng)地板試驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，活動(dòng)帶最大運(yùn)行速度為60m／s；活動(dòng)地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果存在較大差別，差別大小隨地板高度和飛機(jī)姿態(tài)角變化而變化。

飛行器；地面效應(yīng)；活動(dòng)地板；風(fēng)洞

0 引 言

地面效應(yīng)是飛機(jī)或其它飛行器近地飛行、起飛著陸時(shí)必然遇到的現(xiàn)象。對(duì)于一般飛機(jī)，地面效應(yīng)使飛機(jī)的升力線斜率增加、誘導(dǎo)阻力系數(shù)減小，縱向安定度增加。飛機(jī)氣動(dòng)特性的上述改變直接影響飛機(jī)的飛行特性，使得飛行器的氣動(dòng)力與高空飛行狀態(tài)相比發(fā)生很大變化。升力增加、誘導(dǎo)阻力減小的這種有利地效對(duì)小展弦比或細(xì)長(zhǎng)翼飛機(jī)更為明顯，地面效應(yīng)的影響有時(shí)也會(huì)成為不利因素，對(duì)有高升力裝置的一些機(jī)種就是如此。因此，弄清飛行器的地面效應(yīng)對(duì)飛行器的研制有重要意義。

活動(dòng)地板裝置主要用于飛行器地面效應(yīng)的研究和測(cè)量。利用活動(dòng)地板進(jìn)行地面效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，由于活動(dòng)帶的速度與風(fēng)洞來流速度相等，方向相同，活動(dòng)帶上便不會(huì)產(chǎn)生邊界層，可以真實(shí)模擬飛行器近地飛行情況。特別是對(duì)垂直、短距起降飛機(jī)，飛機(jī)的下噴氣流和地面相互作用產(chǎn)生高升力，從而提供飛機(jī)所需的氣動(dòng)力，但用固定地板進(jìn)行地面效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，下噴氣流與地板邊界層相互作用使地面渦向前移動(dòng)，并發(fā)生分離，嚴(yán)重影響風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，而利用活動(dòng)地板就不存在這種問題。利用活動(dòng)地板系統(tǒng)進(jìn)行飛行器地面效應(yīng)研究有很高的使用價(jià)值，有利于開展型號(hào)試驗(yàn)和高升力機(jī)種的研究。目前，活動(dòng)地板裝置已在歐、美、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家的大型航空風(fēng)洞得到廣泛使用，在飛行器地面效應(yīng)試驗(yàn)方面取得了良好效果；國(guó)內(nèi)還沒有一座航空風(fēng)洞建設(shè)和使用活動(dòng)地板系統(tǒng)。為了提高飛行器地面效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)水平，氣動(dòng)中心低速所在Φ 3.2m風(fēng)洞成功研制了一套活動(dòng)地板系統(tǒng)，并采用YF－16標(biāo)模開展了飛行器地面效應(yīng)試驗(yàn)影響研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

活動(dòng)地板裝置主要用在Φ3.2m風(fēng)洞的開口試驗(yàn)段，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸和型號(hào)試驗(yàn)需求，確定了活動(dòng)地板系統(tǒng)的主要工況要求和主要技術(shù)指標(biāo)。

1.1 工況要求

（1）系統(tǒng)工作時(shí)活動(dòng)地板完全處于風(fēng)洞流場(chǎng)中，因此在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的情況下，裝置外形符合流線型要求，系統(tǒng)的迎風(fēng)面積盡可能?。唬?）系統(tǒng)固有頻率達(dá)8Hz以上；（3）系統(tǒng)具有無級(jí)調(diào)速、自動(dòng)糾偏、活動(dòng)帶吸附、狀態(tài)檢測(cè)、安全監(jiān)控等功能；（4）系統(tǒng)配備自動(dòng)升降平臺(tái)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)活動(dòng)地板在試驗(yàn)段中的高度位置；（5）具備在突然掉電情況下保證裝置運(yùn)行安全的保護(hù)功能；（6）所有進(jìn)出活動(dòng)地板裝置的管線必須采取防護(hù)措施，避免直接暴露在流場(chǎng)中。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）活動(dòng)地板裝置的最大尺寸（長(zhǎng)×寬×高）3510 mm×3780mm×2600mm；（2）活動(dòng)帶工作面長(zhǎng)度2760mm；（3）活動(dòng)帶工作面寬度2400mm；（4）活動(dòng)帶運(yùn)行框厚度240mm；（5）活動(dòng)帶速度范圍5～60m／s；（6）活動(dòng)帶速度誤差±0.5%；（7）活動(dòng)帶的上下跳動(dòng)≤3mm；（8）活動(dòng)帶的張緊、糾偏調(diào)節(jié)范圍0～120mm；（9）帶輪直徑236mm；（10）升降平臺(tái)行程范圍0～800mm。

2 活動(dòng)地板裝置設(shè)計(jì)

活動(dòng)地板裝置包括活動(dòng)地板運(yùn)行框、升降平臺(tái)和前后緣等部分，如圖1所示。

圖1 活動(dòng)地板總體構(gòu)成Fig.1 Layout of moving belt floor

2.1 活動(dòng)地板運(yùn)行框設(shè)計(jì)

活動(dòng)地板運(yùn)行框是活動(dòng)地板的主體，由活動(dòng)帶傳動(dòng)系統(tǒng)、活動(dòng)帶糾偏張緊系統(tǒng)、活動(dòng)帶支撐及吸附系統(tǒng)、系統(tǒng)支撐框架等部分組成。如圖2所示。

圖2 活動(dòng)地板運(yùn)行框Fig.2 Operational frame of moving belt floor

（1）活動(dòng)帶傳動(dòng)系統(tǒng)；由活動(dòng)帶、主動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪、主電機(jī)等組成，主電機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，通過傳動(dòng)件驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪。活動(dòng)帶張緊在主、從帶輪之間，在主動(dòng)帶輪的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。

（2）活動(dòng)帶糾偏張緊系統(tǒng)；系統(tǒng)采用雙輪張緊及糾偏調(diào)節(jié)方式，在從動(dòng)輪端配置糾偏張緊機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)主、從動(dòng)輪之間的距離實(shí)現(xiàn)活動(dòng)帶張緊，通過調(diào)節(jié)主、從動(dòng)輪兩端距離實(shí)現(xiàn)活動(dòng)帶糾偏控制。

（3）活動(dòng)帶支撐及吸附系統(tǒng)；活動(dòng)帶上部為活動(dòng)地板工作面，為了保證工作表面的平整，在活動(dòng)帶下方配置平整臺(tái)面以支撐活動(dòng)帶，此外，為防止流場(chǎng)中模型與活動(dòng)帶間負(fù)壓引起活動(dòng)帶脫離支撐臺(tái)面，在臺(tái)面下安裝了吸附系統(tǒng)，以保證活動(dòng)帶與臺(tái)面的可靠貼合。

（4）系統(tǒng)支撐框架；系統(tǒng)支撐框架是運(yùn)行框的基礎(chǔ)件，將運(yùn)行框上各部分集成為一個(gè)整體。

2.2 升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

升降平臺(tái)由底框、4套升降桿和中間連接桿組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 升降平臺(tái)Fig.3 Lifting plateform

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行框整體平穩(wěn)升降及運(yùn)行框水平調(diào)節(jié)，升降平臺(tái)采用4桿支撐方式，在運(yùn)行框4個(gè)角上分別布置升降柱，采用伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，通過4個(gè)升降柱的同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行框的整體升降運(yùn)動(dòng)；通過對(duì)單根升降柱的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行框的水平調(diào)節(jié)。升降柱的升降運(yùn)動(dòng)通過滑動(dòng)絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)，利用滑動(dòng)絲桿良好的自鎖性能，實(shí)現(xiàn)在升降行程中任意位置可靠定位。

升降平臺(tái)與活動(dòng)地板運(yùn)行框之間連接處安裝彈性支撐，在保證支撐剛性的前提下，提高系統(tǒng)的抗振性，同時(shí)可對(duì)在升降臺(tái)高度調(diào)整過程中可能出現(xiàn)的微小不同步進(jìn)行緩沖。

活動(dòng)地板運(yùn)行框中安裝的主電機(jī)、糾偏調(diào)整電機(jī)的動(dòng)力及信號(hào)線、冷卻水進(jìn)出管線以及檢測(cè)信號(hào)線等，分別沿與運(yùn)行框相連的升降桿上的導(dǎo)線桿輸出至流場(chǎng)外，在導(dǎo)線桿出口處固接，由架車和多功能平臺(tái)中心的走線孔引出。整個(gè)管線全部封閉，不直接暴露在風(fēng)洞流場(chǎng)中。

2.3 前后緣設(shè)計(jì)

（1）前緣設(shè)計(jì)；前緣在活動(dòng)地板工作時(shí)需承受氣動(dòng)載荷，由于前緣橫向尺寸較大，兩端支撐間距較大，為避免前緣受氣動(dòng)載荷作用時(shí)產(chǎn)生變形、振動(dòng)，在其內(nèi)部橫向和縱向上布置筋板以提高前緣整體剛度和抗振性。如圖4所示。前緣上表面開設(shè)了一定數(shù)量的吸氣孔，以吸除前緣上表面的邊界層。

圖4 前緣結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural pattern of leading edge

（2）后緣設(shè)計(jì)；后緣設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，外形能整流即可；為提高后緣剛度，在后緣內(nèi)部布置鋼管。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)分為狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行系統(tǒng)等3部分，如圖5所示。

3.1 狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括嵌入式計(jì)算機(jī)、PLC的輸入模塊。嵌入式計(jì)算機(jī)安裝在運(yùn)行框內(nèi)部，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中各模擬量及帶跳信號(hào)進(jìn)行采集及預(yù)處理，向上位機(jī)提供所需設(shè)備狀態(tài)信號(hào)；PLC的輸入模塊主要面對(duì)設(shè)備中各數(shù)字量信號(hào)以及作為控制依據(jù)的模擬量（帶偏、活動(dòng)帶張力等）進(jìn)行檢測(cè)，向上位機(jī)提供所需設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)作相應(yīng)的控制。狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)的信號(hào)主要包括帶輪軸承振動(dòng)信號(hào)、帶輪軸承溫度信號(hào)、主電機(jī)軸承溫度信號(hào)、活動(dòng)帶溫度信號(hào)、運(yùn)行框傾斜度信號(hào)、帶輪轉(zhuǎn)速信號(hào)和活動(dòng)帶跳動(dòng)信號(hào)等。

圖5 電氣控制系統(tǒng)Fig.5 Electrical control system

3.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人機(jī)界面、PLC組成，以上位機(jī)為上層控制核心；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人機(jī)界面作為系統(tǒng)調(diào)試時(shí)上位機(jī)控制功能的延伸，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；PLC作為底層控制系統(tǒng)，接受上位機(jī)指令及現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息對(duì)驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制。上位機(jī)具有兩種控制模式：自動(dòng)運(yùn)行模式和手動(dòng)調(diào)整模式。主要對(duì)活動(dòng)帶速度、活動(dòng)帶偏移及張緊、活動(dòng)帶跳動(dòng)、升降平臺(tái)高度位置、系統(tǒng)掉電保護(hù)等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

3.3 驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行系統(tǒng)由各執(zhí)行件（主電機(jī)、伺服電機(jī)、輔助系統(tǒng)動(dòng)力源等）及其驅(qū)動(dòng)裝置組成，根據(jù)PLC的控制信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4 引導(dǎo)性試驗(yàn)典型結(jié)果

為了考核活動(dòng)地板系統(tǒng)的性能及其與風(fēng)洞其它設(shè)備組合使用時(shí)的整體協(xié)調(diào)性，采用YF－16（1：9）標(biāo)模進(jìn)行了一期引導(dǎo)性試驗(yàn)，獲取了活動(dòng)地板系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞落差系數(shù)的影響、活動(dòng)帶運(yùn)行對(duì)邊界層消除情況以及YF－16飛機(jī)模型在不同地板狀態(tài)下偏襟翼25°時(shí)的地面效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1 活動(dòng)地板系統(tǒng)對(duì)風(fēng)洞落差系數(shù)的影響

表1給出了活動(dòng)帶靜止不動(dòng)時(shí)不同地板高度和不同試驗(yàn)風(fēng)速下風(fēng)洞的落差系數(shù)。在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，隨活動(dòng)地板逐步偏離試驗(yàn)段中心線，風(fēng)洞的落差系數(shù)逐步減小，活動(dòng)地板越靠近風(fēng)洞中心，對(duì)試驗(yàn)段流場(chǎng)影響越大；地板高度為h1、h3、h4和h5時(shí)，風(fēng)洞落差系數(shù)分別為1.342、1.337、1.328和1.304。在地板高度h1，隨試驗(yàn)風(fēng)速增大，風(fēng)洞落差系數(shù)有增大趨勢(shì)。在其它地板高度，隨試驗(yàn)風(fēng)速增大，風(fēng)洞落差系數(shù)無明顯變化。另外，試驗(yàn)時(shí)也研究了活動(dòng)帶運(yùn)行對(duì)風(fēng)洞落差系數(shù)的影響，測(cè)量結(jié)果表明活動(dòng)帶運(yùn)行對(duì)風(fēng)洞落差系數(shù)影響不大，較活動(dòng)帶靜止不動(dòng)時(shí)略有增大，量值在1%以內(nèi)。

表1 地板狀態(tài)風(fēng)洞落差系數(shù)結(jié)果Table 1 Results of head coefficients

4.2 活動(dòng)帶運(yùn)行時(shí)邊界層的消除情況

表2給出了活動(dòng)地帶靜止不動(dòng)時(shí)不同試驗(yàn)風(fēng)速下的地板邊界層厚度。在同一測(cè)量位置，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，地板邊界層厚度為一定值。地板邊界層厚度沿氣流方向增長(zhǎng)較快，從前往后，地板邊界層厚度逐步增大，在X＝1070、310、－821處（坐標(biāo)原點(diǎn)位于試驗(yàn)段中心，X指向來流方向），地板邊界層厚度分別為11、21、43mm。試驗(yàn)研究了活動(dòng)帶運(yùn)行對(duì)地板邊界層的消除情況，考慮到活動(dòng)地板運(yùn)行的安全性，測(cè)量耙不能太靠近活動(dòng)帶，當(dāng)測(cè)量耙最下端測(cè)壓管離地板上表面10mm時(shí)，在測(cè)量位置X3＝－821mm處，當(dāng)活動(dòng)帶運(yùn)行速度與試驗(yàn)風(fēng)速同為50m／s時(shí)，沒有檢測(cè)到地板上表面存在邊界層。

表2 邊界層測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of boundary layer thickness

4.3 地面效應(yīng)隨地板高度的變化規(guī)律

圖6給出了試驗(yàn)風(fēng)速V＝50m／s、活動(dòng)帶運(yùn)行速度Vb＝50m／s時(shí)，在不同地板高度下YF－16飛機(jī)模型（δf＝25°）升力和俯仰力矩特性隨飛機(jī)迎角變化曲線。地面效應(yīng)對(duì)飛機(jī)的縱向特性影響較大，地面效應(yīng)使得飛機(jī)升力增大、升力線斜率增大、飛機(jī)的縱向靜穩(wěn)定性增強(qiáng)。飛機(jī)與地面越接近，地面效應(yīng)影響效果越強(qiáng)。另外，同一地板高度，地面效應(yīng)對(duì)飛機(jī)的影響隨飛機(jī)迎角變化而變化。

4.4 活動(dòng)地板與固定地板對(duì)地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖7給出了YF－16飛機(jī)模型（δf＝25°）試驗(yàn)風(fēng)速V＝50m／s，活動(dòng)地板（活動(dòng)帶運(yùn)行速度Vb＝50m／s）與固定地板兩種模擬方法獲得的縱向特性的差量值曲線，表3給出了對(duì)應(yīng)狀態(tài)縱向特性參數(shù)的差量值。

圖6 不同地板高度下縱向特性曲線Fig.6 Longitudinal characteristics at different floor heights

圖7 活動(dòng)地板與固定地板差量隨地板高度變化曲線Fig.7 Life and pitching moment differences between fixed and moving belt floor

活動(dòng)地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果有較大差別。與固定地板試驗(yàn)結(jié)果相比，活動(dòng)地板試驗(yàn)結(jié)果的升力系數(shù)減小，升力線斜率增大，阻力系數(shù)增大，俯仰力矩增大，縱向靜穩(wěn)定性增強(qiáng)；在試驗(yàn)的地板高度范圍，活動(dòng)地板與固定地板的差量為 ΔCLα＝0.001～0.003，ΔCL＝ －0.014～－0.028，ΔCD＝0.003～0.006，＝－0.008～－0.013，ΔCm＝0.008～0.011（α＝0°時(shí)）。活動(dòng)地板和固定地板兩種模擬方法獲得地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的差量隨地板高度和飛機(jī)迎角的變化而變化。說明：Δ＝活動(dòng)地板－固定地板

表3 縱向特性參數(shù)的差量值（δf＝25°）Table 3 Differences of longitudinal characteristics

5 結(jié) 論

通過對(duì)Φ3.2米風(fēng)洞活動(dòng)地板裝置的設(shè)計(jì)、電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)、YF－16模型試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）Φ3.2米風(fēng)洞活動(dòng)地板試驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，活動(dòng)帶最大運(yùn)行速度為60m／s。

（2）活動(dòng)地板在試驗(yàn)段的安裝高度對(duì)風(fēng)洞落差系數(shù)有明顯影響，同一地板高度不同試驗(yàn)風(fēng)速下，風(fēng)洞落差系數(shù)無明顯變化。

（3）活動(dòng)帶不運(yùn)行時(shí)，地板邊界層厚度沿氣流方向增長(zhǎng)較快；當(dāng)活動(dòng)帶運(yùn)行速度與試驗(yàn)風(fēng)速相同時(shí)，可以完全消除地板邊界層。

（4）活動(dòng)地板和固定地板兩種模擬方法獲得的地面效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，且差量隨地板高度和飛機(jī)迎角的變化而變化。

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李征初（1965－），男，湖南常德人，研究員。研究方向：低速空氣動(dòng)力學(xué)。通訊地址：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（621000）；E－mail：lzc61271＠126.com。

Development of moving belt floor inΦ3.2mwind tunnel

LI Zheng－chu1，2，YANG Jiong1，LIANG Jian1，LI Jin－yong1
（1.Low Speed Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research ＆ Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China；2.State Key Laboratory of Aerodynamics，Mianyang Sichuan 621000，China）

In wind tunnel tests，the quantification of aircraft＇s ground effects is generally obtained through both fixed floor and moving belt floor simulations.Due to the effect of boundary layer，it is impossible to simulate the real near－ground flights with fixed floor.When using moving belt floor，no boundary layer exists on the surface of the belt floor since the velocity of moving belt is the same as the oncoming wind.Therefore，moving belt floor can simulate the real near－ground fights，improving the test precision of ground effects.This paper describes the development of the moving belt floor inФ3.2mwind tunnel，including the system frameworks and main technical specifications.The test results of YF－16 model have shown that the maximum speed of the moving belt is 60m／s and the moving belt floor has achieved the design requirements.A visible difference can be identified between these two simulations and the difference changes with the variation of heights and flight angles.

aircraft；ground effect；moving belt floor；wind tunnel

V211.72

A

1672－9897（2011）04－0089－05

2010－12－27；

2011－05－08