王玉花，劉 偉，王 超，張 悅

（中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著航空科技的迅猛發(fā)展，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰退降囊笠苍絹碓礁?，?duì)飛行器模型的支撐、測力方式也提出了更新、更高的要求。近期在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心開展了某型號(hào)高精度測力試驗(yàn)，模型后體氣動(dòng)特性極其復(fù)雜。常規(guī)尾支撐測力方式對(duì)模型后體外形破壞較嚴(yán)重，對(duì)全機(jī)氣動(dòng)特性特別是阻力特性有較大影響，無法滿足高精度測力試驗(yàn)的要求，必須發(fā)展相應(yīng)的試驗(yàn)技術(shù)。為了研究尾支撐干擾規(guī)律，驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐干擾修正量的正確性，需要建立翼尖支撐雙天平測力試驗(yàn)技術(shù)。該試驗(yàn)技術(shù)能最大限度減少支撐系統(tǒng)對(duì)機(jī)身外形的破壞，對(duì)全機(jī)，尤其是機(jī)身尾部的干擾非常小。如何給出翼尖支撐雙天平同時(shí)對(duì)同一模型進(jìn)行測力的工作公式是該試驗(yàn)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，開展了翼尖支撐雙天平校準(zhǔn)技術(shù)研究。研究結(jié)果已經(jīng)成功應(yīng)用于課題和型號(hào)試驗(yàn)。

1 技術(shù)要求

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎米笥乙砑庵?，雙天平安裝在試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵硐掳l(fā)動(dòng)機(jī)短艙位置，雙天平分別與雙支撐左右兩邊相連接。

試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.74，迎角α=-3°～3.5°，模型側(cè)滑角β=0°，模型滾轉(zhuǎn)角γ=0°。

在某型號(hào)高精度測力試驗(yàn)中，縱向數(shù)據(jù)是關(guān)鍵，橫向載荷很小，且不是測量的重點(diǎn)。因此該項(xiàng)研究只需要縱向數(shù)據(jù)，所給橫向載荷為天平設(shè)計(jì)時(shí)的匹配載荷。 兩臺(tái)天平設(shè)計(jì)載荷一致，具體載荷見表1。

表1 天平設(shè)計(jì)載荷Table 1 Design roads for the twin balances

2 校準(zhǔn)技術(shù)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）雙天平校準(zhǔn)不同于單臺(tái)天平的校準(zhǔn)，加載方案的確定是關(guān)鍵；

（2）雙天平校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理不能使用以往常規(guī)單臺(tái)天平的處理方法，需要進(jìn)行雙天平校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理方法的研究；

（3）雙天平分別安裝在左右兩個(gè)支撐前部，兩臺(tái)天平軸線之間的距離大（1188mm），要實(shí)現(xiàn)雙天平同時(shí)加載，加載裝置設(shè)計(jì)困難；

（4）雙天平總載荷大，現(xiàn)有校準(zhǔn)架不能滿足雙天平同時(shí)校準(zhǔn)要求。

2.2 解決措施

（1）雙天平校準(zhǔn)可以有兩種方案：

（a）雙天平同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，然后通過電橋合成的方式給出一套雙天平同時(shí)工作的吹風(fēng)公式?，F(xiàn)有校準(zhǔn)架的最大載荷只有2t，雙天平載荷比較大，雙天平同時(shí)校準(zhǔn)的加載裝置質(zhì)量比較大，雙支撐機(jī)構(gòu)本身的質(zhì)量也大（723kg），另外雙支撐比較長，而其重心在雙支撐機(jī)構(gòu)后錐前端840mm 處。因此天平加載時(shí)對(duì)校準(zhǔn)架施加的力矩很大，在這種情況下，完成雙天平四個(gè)方向同時(shí)校準(zhǔn)是有困難的，另一方面該方案的數(shù)據(jù)處理也不同于常規(guī)單天平，很繁瑣。

（b）單天平分別進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，然后利用兩臺(tái)單天平的靜校公式，給出合理的雙天平同時(shí)工作的數(shù)據(jù)處理方法，使雙天平的測量數(shù)據(jù)合理、可靠。單天平的載荷相對(duì)較小，只需設(shè)計(jì)一根校準(zhǔn)支桿，就可以在2噸校準(zhǔn)架上完成靜態(tài)校準(zhǔn)。該方案加載簡單，但數(shù)據(jù)處理方法需要進(jìn)一步研究。

針對(duì)這兩種方案，經(jīng)過綜合分析后采用第二種方案。為了驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)的可行性，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，需要對(duì)雙天平同時(shí)加載，進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法的驗(yàn)證。

（2）首先設(shè)定雙支撐及加載裝置與天平的連接為剛性連接。對(duì)兩臺(tái)單天平分別進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，再根據(jù)空間力系合成原理和天平載荷分量干擾修正技術(shù)，利用兩臺(tái)單天平的校準(zhǔn)公式，給出合理的雙天平同時(shí)工作的數(shù)據(jù)處理方法。

雖然在設(shè)計(jì)、加工、安裝過程中，要求嚴(yán)格保證雙天平加載的對(duì)稱中心位置，但是在粘貼、單獨(dú)校準(zhǔn)、同時(shí)安裝后，雙天平很有可能在軸向上存在校準(zhǔn)中心不重合的現(xiàn)象。而且雙天平軸線根本不能重合，始終存在1188mm 的距離。

在數(shù)據(jù)處理上，采用將兩臺(tái)天平所測得的各分量載荷分別疊加的方法，同時(shí)考慮校準(zhǔn)中心不重合產(chǎn)生的影響。根據(jù)試驗(yàn)的需要，在雙天平綜合加載驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理的可靠性時(shí)，僅進(jìn)行了雙天平的縱向加載，計(jì)算公式如下：

（a）Y分量加載計(jì)算公式：

Y1為1＃天平測得的法向力，Y2為2＃天平測得的法向力。

（b）X分量加載計(jì)算公式：

X1為1＃天平所測得的軸向力，X2為2＃天平所測得的軸向力。

（c）Mz分量加載計(jì)算公式：

Mz1為1＃天平所測得的俯仰力矩，Mz2為2＃天平所測得的俯仰力矩。ΔL1為1＃天平與雙天平校準(zhǔn)中心的距離，ΔL2為2＃天平與雙天平校準(zhǔn)中心的距離。ΔL1、ΔL2的正負(fù)取決于Y1、Y2在該位置相對(duì)雙天平校準(zhǔn)中心產(chǎn)生力矩的正負(fù)。

（d）Mx分量加載計(jì)算公式：

Mx1為1＃天平所測得的滾轉(zhuǎn)力矩，Mx2為2＃天平所測得的滾轉(zhuǎn)力矩。1188mm 為兩臺(tái)天平軸線之間的距離。

（3）為了更好地模擬吹風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行加載，也為了簡化加載裝置的設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臋C(jī)翼，設(shè)計(jì)專用加載裝置與機(jī)翼連接，實(shí)現(xiàn)雙天平同時(shí)加載。在專用加載裝置設(shè)計(jì)中，要確保加載點(diǎn)與雙天平軸線在同一水平面內(nèi)，雙天平的軸線與加載裝置的中軸線對(duì)稱。同時(shí)盡量保證加載裝置的加載中心與雙天平的力矩中心在X軸方向上的位置重合。具體連接情況如圖1。

首先將兩臺(tái)單天平與雙支撐相連接，再由機(jī)翼在翼尖位置將雙天平連接起來，通過安裝在機(jī)翼中間的專用加載裝置對(duì)雙天平實(shí)施同時(shí)加載。雙天平加載坐標(biāo)如圖2。

圖1 雙天平、機(jī)翼及加載裝置連接結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Connection of the twin balances，wing and load device

圖2 雙天平加載坐標(biāo)系Fig.2 Loading reference frame for the twin balances

為了實(shí)現(xiàn)X分量加載，需要克服雙支撐機(jī)構(gòu)上的過渡軸架的阻擋，為此專門設(shè)計(jì)了阻力拉框，用來實(shí)現(xiàn)過渡軸架前后鋼絲的連接，阻力拉框的布置如圖3。

圖3 阻力拉框的布置Fig.3 Layout of the axial force

通過對(duì)雙天平進(jìn)行單元加載、綜合加載，驗(yàn)證雙天平同時(shí)工作時(shí)數(shù)據(jù)處理方法的可靠性。

（4）現(xiàn)有校準(zhǔn)架不能滿足雙天平同時(shí)校準(zhǔn)，但BCL-20000校準(zhǔn)架完全能滿足單臺(tái)天平分別進(jìn)行校準(zhǔn)，而雙天平同時(shí)加載進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法的可靠性驗(yàn)證時(shí)，可以將所加載荷降低。

3 校準(zhǔn)結(jié)果

3.1 單天平的校準(zhǔn)

首先進(jìn)行單天平的校準(zhǔn)。單天平的校準(zhǔn)是在BCL-20000校準(zhǔn)架上完成的，校準(zhǔn)方法同常規(guī)天平的校準(zhǔn)方法，采用體軸系校準(zhǔn)［1］。通過校準(zhǔn)設(shè)備，調(diào)整校準(zhǔn)支桿及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致。1＃、2＃單天平綜合加載的加載值和不確定度如表2［2］。從表中可以看出，兩臺(tái)天平各分量的校準(zhǔn)不確定度均優(yōu)于2‰。

表2 單天平綜合加載值和不確定度Table2 Loading loads and uncertainty for the single balance

3.2 雙天平的校準(zhǔn)

為了驗(yàn)證“利用兩臺(tái)單天平的校準(zhǔn)公式，給出合理的雙天平同時(shí)工作的數(shù)據(jù)處理方法”的可靠性，對(duì)雙天平同時(shí)進(jìn)行了單元加載、綜合加載。將雙天平的固定端分別安裝在雙支撐系統(tǒng)的兩端，再通過試驗(yàn)機(jī)翼將雙天平的自由端相連接。雙天平的校準(zhǔn)采用體軸系校準(zhǔn)，通過校準(zhǔn)設(shè)備，調(diào)整雙支撐系統(tǒng)及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致。首先利用專用加載裝置對(duì)雙天平同時(shí)進(jìn)行加載，得出每臺(tái)單天平各分量的初末讀數(shù)；然后按照每臺(tái)單天平校準(zhǔn)公式分別進(jìn)行計(jì)算；最后將兩臺(tái)天平各分量的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行疊加。另外，兩臺(tái)天平的校準(zhǔn)中心與加載裝置的加載中心不可能完全重合，由此產(chǎn)生的力矩影響必須計(jì)算在內(nèi)。

雙天平同時(shí)加載在BCL-20000 校準(zhǔn)架上完成。利用雙支撐、試驗(yàn)機(jī)翼、專用加載裝置，實(shí)現(xiàn)雙天平同時(shí)加載，實(shí)際加載情況如圖4。利用專用加載裝置，對(duì)雙天平的Y、X、Mz、Mx進(jìn)行了單元加載和綜合加載。

圖4 雙天平加載方案Fig.4 Loading scheme for the twin balances

由于目前校準(zhǔn)架受限，經(jīng)過計(jì)算，只能對(duì)雙天平同時(shí)加載480kg的砝碼。雙天平的單元加載值和校準(zhǔn)不確定度如表3所示。從表中可以看出，雙天平同時(shí)進(jìn)行單元加載時(shí)，各分量的校準(zhǔn)不確定度均優(yōu)于或等于3‰。

表3 雙天平單元加載值和不確定度Table 3 Loads and uncertainty of single-component calibrationfor the twin balances

雙天平的綜合加載值和不確定度如表4 所示。從表中可以看出，雙天平同時(shí)進(jìn)行綜合加載時(shí)，各分量的校準(zhǔn)不確定度均優(yōu)于3‰。

表4 雙天平綜合加載值和不確定度Table 4 Loads and uncertainty of six-component calibration for the twin balances

校準(zhǔn)結(jié)果表明：在綜合加載的載荷遠(yuǎn)小于雙天平載荷的情況下，雙天平同時(shí)進(jìn)行的單元加載和綜合加載的校準(zhǔn)不確定度均能完全滿足風(fēng)洞試驗(yàn)的需要。因此，“雙天平同時(shí)工作的數(shù)據(jù)處理方法”是合理、可靠的。

4 雙天平的風(fēng)洞試驗(yàn)

翼尖支撐雙天平的風(fēng)洞試驗(yàn)是在FL-26跨超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行的。試驗(yàn)中模型的橫向載荷、滾轉(zhuǎn)載荷均很小，為了避免由于雙支撐系統(tǒng)等變形引起的迎角變化的影響，使用了迎角傳感器對(duì)模型的迎角進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表5是雙天平的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，給出了縱向氣動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)均方根誤差?？梢钥吹?，系統(tǒng)重復(fù)性精度達(dá)到或接近國軍標(biāo)先進(jìn)指標(biāo)。

表5 雙天平的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Wind tunnel test results for the twin balances

5 結(jié) 論

（1）翼尖支撐雙天平同時(shí)工作的測量結(jié)果可以通過兩臺(tái)單天平的數(shù)據(jù)合成；

（2）雙天平校準(zhǔn)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明，雙天平校準(zhǔn)技術(shù)合理、可靠；

（3）該雙天平校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用成功，將為后續(xù)風(fēng)洞測力試驗(yàn)提供必要的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

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