CN102928191A - 一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，主要由两部分组成：前端的弹头模型部分和后端的测量、驱动部分。小不对称再入体模型安装在双层轴承支撑系统上，在双层轴承后端安装光栅码盘，用来测量弹头模型的转速。支杆后端装有伺服电机，用来驱动内层轴承，以达到使整个测量系统的机械阻尼在理论上为零的目。本发明装置滚转方向上的机械阻尼要远远小于该方向上飞行器的滚转气动阻尼，机械阻尼在理论上为零。

Description

一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，属于试验空气动力学领域。

背景技术

小不对称再入体滚转气动力测量试验要求测量装置具有以下特点：1、能够连接烧蚀后的模型和支杆；2、测量装置在俯仰方向和滚转方向上必须有足够的刚度；3、在滚转方向上，测量系统的机械阻尼要远远小于该方向上飞行器的滚转气动阻尼，在理论上为零。

国内的高超声速小滚转力矩测量技术发展比较滞后，取得一些成果的是中国空气动力研究与发展中心的小滚转力矩天平测量系统和中国航天空气动力技术研究院的气浮轴承测量系统，下面对其缺点进行简要概述：中国空气动力研究与发展中心的小滚转力矩天平测量系统虽然是测量滚转力矩最常规的手段，但同轴度偏差与角度偏差是使微量滚转力矩测量产生偏差的重要原因。气浮轴承测量系统由于采用自由滚转的运动方式，所以对于安装、加工中的一些不确定因素，例如质心偏置，气流偏角等等具有对消作用，这就使得本方法较天平测力等其它方法相比有较大鲁棒性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，可以使装置系统的机械阻尼在理论上为零。

本发明的技术解决方案：

一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，包括：弹头模型头部、弹头模型尾部、外套筒、外套筒挡圈、推力轴承挡圈、叶轮轮毂、涡轮叶片、叶片锁紧螺钉、激光头支架、模型端盖、支杆、传动轴、电机座、电机座端盖、步进电机、联轴器、光栅码盘、中套筒挡圈、中套筒、内套筒、锁紧螺母、连接环、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承和推力轴承；

叶轮轮毂、涡轮叶片、光栅码盘及叶片锁紧螺钉组成涡轮，在支杆的前端依次安装上模型端盖、激光头支架、涡轮、推力轴承挡圈和推力轴承，激光头安装在激光头支架上，用于与光栅码盘配合测量涡轮的转速；

再依次将第一个第二深沟球轴承、内套筒和第二个第二深沟球轴承套装在支杆前端上，第二个第二深沟球轴承位于第一个第二深沟球轴承的前端，内套筒将第一个第二深沟球轴承顶住，第二个第二深沟球轴承将内套筒顶住，最后用锁紧螺母把所述第二个第二深沟球轴承固定在支杆上；

将中套筒套在内套筒外部，中套筒两段分别顶住所述第一个第二深沟球轴承和第二个第二深沟球轴承，外套筒套在中套筒的外部，外套筒的两端分别安装两个第一深沟球轴承，第二个第一深沟球轴承位于第一个第一深沟球轴承的前端，通过螺钉将外套筒挡圈固定在外套筒的后端，且外套筒挡圈与推力轴承接触，连接环套在支杆最前端，并通过螺钉将连接环和第二个第一深沟球轴承和第二个第二深沟球轴承固定在一起，

两个第一深沟球轴承、两个第二深沟球轴承、中套筒、内套筒、外套筒、外套筒挡圈、中套筒挡圈和连接环形成的整体固定在支杆上，并且该整体装在弹头模型尾部的空腔之内，叶轮轮毂、涡轮叶片、光栅码盘及叶片锁紧螺钉组成涡轮也与弹头模型尾部的空腔内壁接触，并通过销钉固定，通过螺钉将模型端盖与弹头模型尾部固定，使弹头模型尾部的内腔形成封闭空间，弹头模型头部与弹头模型尾部的前端固定连接，构成整体弹头模型；

步进电机通过联轴器与传动轴连接从而输出动力，支杆为管状，传动轴穿过支杆内部，顶到连接环上；步进电机装在电机座内部，电机座端盖将步进电机封闭在电机座之中，

还包括内挡圈、外挡圈、支架、外壳和第三深沟球轴承，第三深沟球轴承套在传动轴靠近联轴器的一端，第三深沟球轴承的内圈通过内挡圈固定，第三深沟球轴承的外圈通过外挡圈固定，第三深沟球轴承、内挡圈和外挡图形成的整体通过支架固定在外壳上，用以稳定传动轴。

支杆的外壁上挖有凹槽，用于将高压气体管路输送到涡轮，令涡轮转动从而带动整体弹头模型转动。

激光头与光栅码盘之间的距离为1～2mm。

本发明相对于现有技术带来的有益效果为：

1.现有气浮轴承测量系统对加工精度要求较高，且轴承系统容易产生锈蚀，进而影响测量数据的精度，甚至使系统不能运转；而本发明测量系统的稳定性好，即使个别零部件产生锈蚀，由于步进电机的驱动作用，也能很好地克服锈蚀产生的影响。

2.本发明装置不同于气浮轴承测量系统和小滚转力矩天平测量系统，它的机械阻尼在理论上为零，可以更精确地测量小不对称再入体的气动阻尼，这是以上两种测量系统都无法达到的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明弹头模型部分结构示意图；

图3为本发明中驱动部分结构示意图；

具体实施方式：

本发明测量系统主要由两部分组成：前端的弹头模型部分和后端的测量、驱动部分。小不对称再入体模型安装在双层轴承支撑系统上，在双层轴承后端安装光栅码盘，用来测量模型的转速。支杆后端装有伺服电机，用来驱动内层轴承，以达到使整个测量系统的机械阻尼在理论上为零的目

如图1、图2所示，本发明结构包括弹头模型头部1、弹头模型尾部2、外套筒3、外套筒挡圈5、推力轴承挡圈6、叶轮轮毂7、涡轮叶片8、叶片锁紧螺钉9、激光头支架11、模型端盖12、支杆13、传动轴14、电机座18、电机座端盖19、步进电机20、联轴器21、光栅码盘25、中套筒挡圈26、中套筒27、内套筒28、锁紧螺母30、连接环31、第一深沟球轴承B-1、第二深沟球轴承B-2和推力轴承B-3；

叶轮轮毂7、涡轮叶片8、光栅码盘25及叶片锁紧螺钉9组成涡轮，在支杆13的前端依次安装上模型端盖12、激光头支架11、涡轮、推力轴承挡圈6和推力轴承B-3，激光头安装在激光头支架11上，用于与光栅码盘25配合测量涡轮的转速；支杆13的外壁上挖有凹槽，用于将高压气体管路输送到涡轮，令涡轮转动从而带动整体弹头模型转动。激光头与光栅码盘25之间的距离为1～2mm。

再依次将第一个第二深沟球轴承B-2、内套筒28和第二个第二深沟球轴承B-2套装在支杆13前端上，第二个第二深沟球轴承B-2位于第一个第二深沟球轴承B-2的前端，内套筒28将第一个第二深沟球轴承B-2顶住，第二个第二深沟球轴承B-2将内套筒顶住，最后用锁紧螺母30把所述第二个第二深沟球轴承B-2固定在支杆13上；

将中套筒27套在内套筒28外部，中套筒28两段分别顶住所述第一个第二深沟球轴承B-2和第二个第二深沟球轴承B-2，外套筒3套在中套筒27的外部，外套筒3的两端分别安装两个第一深沟球轴承B-1，第二个第一深沟球轴承B-1位于第一个第一深沟球轴承B-1的前端，通过螺钉将外套筒挡圈5固定在外套筒3的后端，且外套筒挡圈5与推力轴承B一3接触，连接环31套在支杆13最前端，并通过螺钉将连接环31和第二个第一深沟球轴承B-1和第二个第二深沟球轴承B-2固定在一起，

两个第一深沟球轴承B-1、两个第二深沟球轴承B-2、中套筒27、内套筒28、外套筒3、外套筒挡圈5、中套筒挡圈26和连接环31形成的整体固定在支杆13上，并且该整体装在弹头模型尾部2的空腔之内，叶轮轮毂7、涡轮叶片8、光栅码盘25及叶片锁紧螺钉9组成涡轮也与弹头模型尾部2的空腔内壁接触，并通过销钉固定，通过螺钉将模型端盖12与弹头模型尾部2固定，使弹头模型尾部2的内腔形成封闭空间，弹头模型头部1与弹头模型尾部2的前端固定连接，构成整体弹头模型；

步进电机20通过联轴器21与传动轴14连接从而输出动力，支杆13为管状，传动轴14穿过支杆13内部，顶到连接环31上；步进电机20装在电机座18内部，电机座端盖19将步进电机20封闭在电机座18之中，

还包括内挡圈22、外挡圈23、支架24、外壳16和第三深沟球轴承B-4，第三深沟球轴承B-4套在传动轴14靠近联轴器21的一端，第三深沟球轴承B-4的内圈通过内挡圈22固定，第三深沟球轴承B-4的外圈通过外挡圈23固定，第三深沟球轴承B-4、内挡圈22和外挡圈23形成的整体通过支架24固定在外壳16上，用以稳定传动轴14。

本发明中，第一深沟球轴承(B-1)可以采用型号为6808ZZ的轴承，第二深沟球轴承(B-2)和第三深沟球轴承(B-3)可以采用型号为6804ZZ的轴承。

本发明系统工作原理如下：风洞开启并处于运行状态下，高压气体输出到涡轮并且喷出，驱动涡轮机构从而带动弹体模型旋转。激光头读取叶轮轮毂上的光栅码盘的数据，进而测出弹体的转速，并根据弹体模型转速向步进电机发出反馈信号，步进电机通过联轴器、传动轴、连接环带动中套筒旋转(传动轴的前端顶在连接环上，并且与连接环固连，转动时，传动轴和连接环的相对位置不变，即传动轴通过连接环带动中套筒一起转动)，使中套筒转速与弹体模型转速相同，进而使整套装置在旋转方向上的机械阻尼为零，从而较好地测量出弹体模型的气动阻尼，从而能够更精确的计算出真实导弹的气动阻尼。

Claims (4)

1.一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，其特征在于包括：弹头模型头部(1)、弹头模型尾部(2)、外套筒(3)、外套筒挡圈(5)、推力轴承挡圈(6)、叶轮轮毂(7)、涡轮叶片(8)、叶片锁紧螺钉(9)、激光头支架(11)、模型端盖(12)、支杆(13)、传动轴(14)、电机座(18)、电机座端盖(19)、步进电机(20)、联轴器(21)、光栅码盘(25)、中套筒挡圈(26)、中套筒(27)、内套筒(28)、锁紧螺母(30)、连接环(31)、第一深沟球轴承(B-1)、第二深沟球轴承(B-2)和推力轴承(B-3)；

叶轮轮毂(7)、涡轮叶片(8)、光栅码盘(25)及叶片锁紧螺钉(9)组成涡轮，在支杆(13)的前端依次安装上模型端盖(12)、激光头支架(11)、涡轮、推力轴承挡圈(6)和推力轴承(B-3)，激光头安装在激光头支架(11)上，用于与光栅码盘(25)配合测量涡轮的转速；

再依次将第一个第二深沟球轴承(B-2)、内套筒(28)和第二个第二深沟球轴承(B-2)套装在支杆(13)前端上，第二个第二深沟球轴承(B-2)位于第一个第二深沟球轴承(B-2)的前端，内套筒(28)将第一个第二深沟球轴承(B-2)顶住，第二个第二深沟球轴承(B-2)将内套筒顶住，最后用锁紧螺母(30)把所述第二个第二深沟球轴承(B-2)固定在支杆(13)上；

将中套筒(27)套在内套筒(28)外部，中套筒(28)两段分别顶住所述第一个第二深沟球轴承(B-2)和第二个第二深沟球轴承(B-2)，外套筒(3)套在中套筒(27)的外部，外套筒(3)的两端分别安装两个第一深沟球轴承(B-1)，第二个第一深沟球轴承(B-1)位于第一个第一深沟球轴承(B-1)的前端，通过螺钉将外套筒挡圈(5)固定在外套筒(3)的后端，且外套筒挡圈(5)与推力轴承(B-3)接触，连接环(31)套在支杆 (13)最前端，并通过螺钉将连接环(31)和第二个第一深沟球轴承(B-1)和第二个第二深沟球轴承(B-2)固定在一起，

两个第一深沟球轴承(B-1)、两个第二深沟球轴承(B-2)、中套筒(27)、内套筒(28)、外套筒(3)、外套筒挡圈(5)、中套筒挡圈(26)和连接环(31)形成的整体固定在支杆(13)上，并且该整体装在弹头模型尾部(2)的空腔之内，叶轮轮毂(7)、涡轮叶片(8)、光栅码盘(25)及叶片锁紧螺钉(9)组成涡轮也与弹头模型尾部(2)的空腔内壁接触，并通过销钉固定，通过螺钉将模型端盖(12)与弹头模型尾部(2)固定，使弹头模型尾部(2)的内腔形成封闭空间，弹头模型头部(1)与弹头模型尾部(2)的前端固定连接，构成整体弹头模型；

步进电机(20)通过联轴器(21)与传动轴(14)连接从而输出动力，支杆(13)为管状，传动轴(14)穿过支杆(13)内部，顶到连接环(31)上；步进电机(20)装在电机座(18)内部，电机座端盖(19)将步进电机(20)封闭在电机座(18)之中。

2.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，其特征在于：还包括内挡圈(22)、外挡圈(23)、支架(24)、外壳(16)和第三深沟球轴承(B-4)，第三深沟球轴承(B-4)套在传动轴(14)靠近联轴器(21)的一端，第三深沟球轴承(B-4)的内圈通过内挡圈(22)固定，第三深沟球轴承(B-4)的外圈通过外挡圈(23)固定，第三深沟球轴承(B-4)、内挡圈(22)和外挡圈(23)形成的整体通过支架(24)固定在外壳(16)上，用以稳定传动轴(14)。

3.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，其特征在于：支杆(13)的外壁上挖有凹槽，用于将高压气体管路输送到涡轮，令涡轮转动从而带动整体弹头模型转动。

4.根据权利要求1所述的一种用于高超声速风洞的小滚转力矩测量装置，其特征在于：激光头与光栅码盘(25)之间的距离为1～2mm。 

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