CN102944376A - 一种风洞试验装置 - Google Patents

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本发明公开了一种风洞试验装置，能够在风洞试验中控制舵面(600)偏转，并测量舵面(600)的偏转角度和空气动力载荷，所述风洞风洞试验装置包括舵面偏转驱动组件(100)、天平组件(200)、角度测量组件(300)和安装壳体(400)，所述安装壳体(400)固定在风洞模型(500)内部；所述天平组件(200)与舵面(600)固定连接；所述舵面偏转驱动组件100驱动天平组件200转动，进而带动舵面(600)偏转；所述天平组件(200)通过摩擦传动方式带动角度测量组件(300)旋转；角度测量组件(300)用于测量舵面(600)的偏转角度；所述天平组件(200)用于测量所述偏转角度下的舵面(600)受到的空气动力载荷。本装置结构紧凑，能够大幅提高弹箭类兵器操纵舵面铰链力矩试验效率和测量精度。

Description

一种风洞试验装置
技术领域
本发明涉及一种风洞试验装置，属于风洞测试技术领域。
背景技术
航空航天事业的迅猛发展，对风洞实验精度和试验效率提出了越来越高的要求。风洞试验模型的姿态控制与测量精度是影响整个风洞试验精度的重要因素，其中模型舵面偏角对自身及全弹气动特性均有较大影响。
当前风洞模型的舵面偏角主要采用不同角度销(锁)人工更换的方法实现。这种方法的精度受到模型加工、装配等因素的影响，很难保证，也很难对舵面真实偏角进行直接测量。对于一项需频繁变化舵偏角的试验来说，人工更换会大大降低试验效率，一次简单的偏角更换也意味着一次复杂的试验中断，风洞试验段打开、关闭过程，甚至是一次泄压、加压过程，这在时间、经济上都造成极大浪费。因此，为模型舵面配备一套能够实现舵偏角控制、测量并实时测量其气动力的试验装置，不仅能够极大地提高风洞试验效率，减少试验时间和经济成本，还能提高风洞试验数据准确性。然而，对于长细比较大的弹箭类高速风洞模型，由于受风洞缩尺模型的尺寸及内部结构，以及大载荷的限制，舵面自动偏转技术的难度很大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为满足提高弹箭类兵器操纵舵面风洞测力试验中效率和测量精度要求，提供一种能够准确控制舵面偏转，并实时测量舵面承受的空气动力载荷和实际偏转角度的结构紧凑、测量准确的风洞试验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种风洞试验装置，能够在风洞试验中控制舵面偏转，并测量舵面的偏转角度和空气动力载荷，所述风洞试验装置包括舵面偏转驱动组件、天平组件、角度测量组件和安装壳体，所述舵面偏转驱动组件、天平组件和角度测量组件都安装在安装壳体内，所述安装壳体固定在风洞模型内部；所述天平组件与舵面固定连接；所述舵面偏转驱动组件驱动天平组件转动，进而带动舵面偏转；所述天平组件通过摩擦传动方式带动角度测量组件旋转；角度测量组件用于测量舵面的偏转角度；所述天平组件用于测量所述偏转角度下的舵面受到的空气动力载荷。
所述舵面偏转驱动组件包括撞针、推杆、安装套、丝杠减速机、电机；所述电机与丝杠减速机固定连接，并安装在安装套内；推杆由推杆安装套和推杆安装套上伸出的推动杆组成，推杆安装套用固定螺母固定在丝杠减速机的丝杠螺母上，推杆安装套外形为修圆的类“凸”型；所述撞针固定在推杆的推动杆前端。
所述天平组件包括天平、摆动环；所述摆动环套在天平外表面上，并与天平固定连接；所述摆动环外表面一侧形成凸出的两个叉形耳片，所述驱动组件的撞针安装在两个耳片之间，使推杆、撞针与摆动环组成一个拨叉式转舵机构；所述摆动环下端开有防干涉槽，防干涉槽以及叉形耳片中间形成的槽的高度大于推杆的推动杆厚度。
所述角度测量组件包括电位器、安装座、角度输入轮、和角度传递轮；所述电位器固定在安装座上，所述角度输入轮安装在电位器的轴上，所述角度传递轮安装在安装座上靠近天平组件一端，角度传递轮外圆表面分别与天平组件的摆动环外圆表面、角度输入轮外圆表面紧密贴合。
所述安装壳体包括端盖、主壳体、大轴承端盖、滑动限位块和小轴承端盖；主壳体上形成圆柱形内腔，角度测量组件固定在主壳体内腔前端，主壳体内腔前端开口用端盖封住；所述主壳体内腔后端安装有舵面偏转驱动组件；所述主壳体上形成横向安装孔；天平组件通过一个大轴承和一个小轴承垂直于主壳体的轴线支撑在所述横向安装孔内，并分别用大轴承端盖、小轴承端盖固定；所述滑动限位块位于主壳体内腔后部，用于保证舵面偏转驱动组件在主壳体内腔沿轴向移动。
本发明与现有技术相比的优点是：
1、本发明的装置包括舵面偏转驱动组件、天平组件、和角度测量组件，从而能够在试验过程中同时实现舵面偏转角控制、实际偏转角和舵面气动力实时测量，减少了中断试验来更换舵面偏转角带来的时间和经济成本损耗，降低了机械式人工更换舵面偏转角带来的误差，大幅提高了操作舵面铰链力矩试验效率和测量精度。本发明装置结构紧凑，能够应用于大长细比弹箭类兵器操作舵面铰链力矩试验。
2、天平随舵面一起偏转，舵面气动力坐标系和天平坐标系随舵偏变化，不存在夹角，减少天平各分量间干扰和坐标转换误差，提高气动力测量精度。
附图说明
图1为本发明的风洞试验装置在模型中的装配示意图；
图2为本发明的风洞试验装置整体结构示意图；
图3为图2俯视图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为图2的B-B剖视图；
图6为舵面偏转驱动组件结构俯视图；
图7为舵面偏转驱动组件推杆三维示意图；
图8为天平组件结构左侧视图图；
图9为天平结构正视图；
图10为图9天平结构的俯视图；
图11为摆动环后视图；
图12为图11的A-A剖视图；
图13为角度测量组件结构示意图。
图14为本发明的风洞试验装置工作过程示意图，其中图14a为没有偏转时的三维示意图，图14b为-30°偏角时的三维示意图。
图中：100、舵偏角驱动组件，200、天平组件，300、角度测量组件，400、壳体组件，500、风洞模型，600、舵面；101、撞针，102、推动杆，103、安装套，104、丝杠减速机，105、电机；201、天平，202、摆动环；2011，舵面安装法兰，2012、敏感元件，2013、摆动环安装法兰，2014、安装轴；301、电位器，302、安装座，303、角度输入轮，304、角度传递轮；401、端盖，402、主壳体，403、大轴承端盖，404、滑动限位块，405、小轴承端盖。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步介绍。
为满足新一代航空航天飞行器研制对风洞舵面测力试验精度提出的高要求，解决风洞试验精细化与试验成本、生产效率的矛盾，本发明提出了一种能够同时驱动舵面偏转，并实时测量舵面真实偏转角和空气动力载荷，能满足弹箭类兵器舵面气动力测量的带舵偏角驱动机构的风洞试验装置。
如图1-3所示，本发明的风洞试验装置，包括舵面偏转驱动组件100、天平组件200、角度测量组件300和安装壳体400。舵面偏转驱动组件100、天平组件200和角度测量组件300都安装在安装壳体400内。所述安装壳体400固定在风洞模型500内部；所述天平组件200的输出端与舵面600固定连接；所述舵面偏转驱动组件100驱动天平组件200转动，进而带动舵面600偏转；所述天平组件200带动角度测量组件300同步旋转；角度测量组件300用于测量舵面600的偏转角度；所述天平组件200用于测量所述偏转角度下的舵面600受到的空气动力载荷。将本发明的装置安装在风洞模型500内部。
如图2-5所示，所述安装壳体400包括端盖401、主壳体402、大轴承端盖403、滑动限位块404和小轴承端盖405。主壳体402为圆柱体结构，外表面与风洞模型500配合，内部分别为角度测量组件300、天平组件200和舵面偏转驱动组件100的安装内腔。角度测量组件300通过安装座302(如图13所示)固定在主壳体402前端内腔，内腔前端开口用端盖401封住。主壳体402上形成横向安装孔。天平组件200用一个大轴承和一个小轴承垂直于主壳体402的轴线支撑在主壳体402横向安装孔内，并分别用大轴承端盖403、小轴承端盖405固定。如图3所示，大轴承端盖403中心开孔，使天平201的舵面安装法兰2011露出(如图9所示)，以便舵面600与之连接。如图5所示，舵偏角驱动组件100的安装套103固定在主壳体402后端，舵偏角驱动组100的推杆102、丝杠减速机104的滚珠丝杠伸入主壳体402后部内腔。如图4所示，推杆102的安装套的两个“凸”型结构的肩部与安装在主壳体402后部内腔里的滑动限位块404两个端面配合，使推杆102及与之固定的丝杠螺母不能转动而只能在主壳体402内腔沿轴向移动。如图5所示，推杆102向前延伸，使安装其上的撞针101与天平组件200的摆动环202叉形耳片配合，组成一个拨叉式转舵机构。拨叉式转舵机构，能在电机驱动下能够带动舵面偏转，传动精度高，驱动能力大。主壳体402前端内腔里的角度传递轮304外表面与天平组件200的摆动环202外表面配合，将天平组件200的转动角度传递给角度测量组件300。
如图6所示，所述舵面偏转驱动组件100包括撞针101、推杆102、安装套103、丝杠减速机104、电机105、固定螺母107。丝杠减速机104包括精密滚珠丝杠的丝杠螺母106。电机105与丝杠减速机104固定在一起，通过丝杠减速机104前端法兰安装在安装套103内。如图7所示，推杆102由后端的安装套1021和安装套1021上伸出的推动杆1022组成，安装套1021用固定螺母107固定丝杠螺母106上，安装套1021外形为修圆的类“凸”型，两个肩部1023与滑动限位块404两个端面配合，使推杆102及与之固定的丝杠螺母106不能转动而只能沿轴向移动。撞针101固定在推动杆1022前端，上下两部分装在天平组件200的摆动环202两组叉形耳片之间，使推杆102与摆动环202组成一个拨叉式转舵机构(如图14所示)。试验时，电机105的正反向转动输出通过丝杠减速机104减速，带动丝杠减速机104的精密滚珠丝杠相应正反向转动，丝杠螺母及推杆102、撞针101因此沿轴向前后移动，通过撞针101与摆动环202的配合推动天平组件200及固定于天平组件上的舵面600一起正反向转动，从而实现对舵面600偏转角的控制。
如图8-9所示，所述天平组件200包括天平201、摆动环202。摆动环202套在天平201外，与天平201的摆动环安装法兰2013固定。
如图9所示，所述天平201为整体结构，从结构功能上分，从上至下依次为舵面安装法兰2011、敏感元件2012、摆动环安装法兰2013和安装轴2014。如图10所示，舵面安装法兰2011中心为轴孔20113、前端为键槽20111，四周为螺纹孔20112，用于将舵面600与天平201固定，并保证舵面600相对天平201的相对位置。敏感元件2012的结构形式根据所需测量舵面600所受气动力确定，如图8的本发明一个实施例为四个矩形梁结构。摆动环安装法兰2013位于天平敏感元件下端，摆动环安装法兰2013上形成多个螺钉孔20141，和两个个柱销孔20142，用于将天平201与摆动环202固定连接。安装轴2014位于天平最下端，与小轴承配合。
如图11-12所示，所述摆动环202为整体圆筒结构，圆筒内径套在天平201外，下端与天平201的摆动环安装法兰2013固定。摆动环202外径上端安装大轴承，结合与天平201配合的小轴承一起将天平组件200支撑在主壳体402内。摆动环202外径下端一侧加工出凸出的两组叉形耳片2022，驱动组件100的撞针101安装在两个耳片之间，并能在耳片之间滑动。摆动环202下端开有防干涉槽2021，防干涉槽2021以及叉形耳片2022中间形成的槽的高度大于推杆102的推动杆厚度，防止摆动环202转动过程中与推杆102干涉。
如图13所示，所述角度测量组件300包括电位器301、安装座302、角度输入轮303、角度传递轮304。电位器301固定在安装座302上，安装座302与主壳体402连接，将角度测量组件300安装在主壳体402内腔。角度输入轮303安装在电位器301的轴上，角度传递轮304安装在安装座302上靠近天平组件200一端。角度输入轮303和角度传递轮304均为摩擦轮，角度传递轮304外圆表面分别与天平组件200的摆动环202外圆表面、角度输入轮303外圆表面紧密贴合，将天平组件200的转动传递给角度输入轮203，进而传递给电位器301，实现电位器301对天平组件200及舵面600实际偏转角度的测量。
如图14所示，试验时，舵面偏转驱动组件将其电机105的正反向转动输出转换成推杆102及撞针101的前后移动，通过撞针101与天平组件的摆动环202组成的拨叉式转舵机构驱动天平组件转动，进而带动舵面600偏转；同时，角度测量组件300通过角度传递轮304实时记录天平组件200及舵面600的共同偏转角度，天平201测量该角度下舵面600受到的空气动力载荷。

Claims (5)

1.一种风洞试验装置，能够在风洞试验中控制舵面(600)偏转，并测量舵面(600)的偏转角度和空气动力载荷，其特征在于：所述风洞试验装置包括舵面偏转驱动组件(100)、天平组件(200)、角度测量组件(300)和安装壳体(400)，所述舵面偏转驱动组件(100)、天平组件(200)和角度测量组件(300)都安装在安装壳体(400)内，所述安装壳体(400)固定在风洞模型(500)内部；所述天平组件(200)与舵面(600)固定连接；所述舵面偏转驱动组件(100)驱动天平组件(200)转动，进而带动舵面(600)偏转；所述天平组件(200)通过摩擦传动方式带动角度测量组件(300)旋转；角度测量组件(300)用于测量舵面(600)的偏转角度；所述天平组件(200)用于测量所述偏转角度下的舵面(600)受到的空气动力载荷。
2.如权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于：所述舵面偏转驱动组件(100)包括撞针(101)、推杆(102)、安装套(103)、丝杠减速机(104)、电机(105)；所述电机(105)与丝杠减速机(104)固定连接，并安装在安装套(103)内；推杆(102)由推杆安装套(1021)和推杆安装套(1021)上伸出的推动杆(1022)组成，推杆安装套(1021)用固定螺母(107)固定在丝杠减速机(104)的丝杠螺母(106)上，推杆安装套(1021)外形为修圆的类“凸”型；所述撞针(101)固定在推杆(102)的推动杆(1022)前端。
3.如权利要求2所述的风洞试验装置，其特征在于：所述天平组件(200)包括天平(201)、摆动环(202)；所述摆动环(202)套在天平(201)外表面上，并与天平(201)固定连接；所述摆动环(202)外表面一侧形成凸出的两个叉形耳片(2022)，所述驱动组件(100)的撞针(101)安装在两个耳片之间，使推杆(102)、撞针(101)与摆动环(202)组成一个拨叉式转舵机构；所述摆动环(202)下端开有防干涉槽(2021)，防干涉槽(2021)以及叉形耳片2022中间形成的槽的高度大于推杆102的推动杆厚度。
4.如权利要求3所述的风洞试验装置，其特征在于：所述角度测量组件(300)包括电位器(301)、安装座(302)、角度输入轮(303)、和角度传递轮(304)；所述电位器(301)固定在安装座(302)上，所述角度输入轮(303)安装在电位器(301)的轴上，所述角度传递轮(304)安装在安装座(302)上靠近天平组件(200)一端，角度传递轮(304)外圆表面分别与天平组件(200)的摆动环(202)外圆表面、角度输入轮(303)外圆表面紧密贴合。
5.如权利要求1至4任一权利要求所述的风洞试验装置，其特征在于：所述安装壳体(400)包括端盖(401)、主壳体(402)、大轴承端盖(403)、滑动限位块(404)和小轴承端盖(405)；主壳体(402)上形成圆柱形内腔，角度测量组件(300)固定在主壳体(402)内腔前端，主壳体(402)内腔前端开口用端盖(401)封住；所述主壳体(402)内腔后端安装有舵面偏转驱动组件(100)；所述主壳体(402)上形成横向安装孔；天平组件(200)通过一个大轴承和一个小轴承垂直于主壳体(402)的轴线支撑在所述横向安装孔内，并分别用大轴承端盖(403)、小轴承端盖(405)固定；所述滑动限位块(404)位于主壳体(402)内腔后部，用于保证舵面偏转驱动组件(100)在主壳体(402)内腔沿轴向移动。
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