CN103076152B - 高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，包括固定底板、设置在固定底板上且可沿固定底板轴向滑动的水平位移调整机构、设置在水平位移调整机构上端的可在竖直方向上移动的竖直位移调整机构、设置在竖直位移调整机构上端随竖直位移调整机构在竖直方向上下运动的且可在竖直方向上旋转的攻角位移调整机构、设置在攻角位移调整机构上端的可水平旋转的侧滑角位移调整机构；侧滑角位移调整机构的上端用于固定模型。通过水平位移调整机构调节模型的水平位移，通过竖直位移调整机构调节模型的竖直方向位移，通过攻角位移调整机构调节模型的攻角，通过侧滑角位移调整机构调节模型的侧滑角，从而实现模型的四自由度姿态调整。
Description
技术领域
本发明涉及风洞领域，特别地，涉及一种高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置。
背景技术
高超声速脉冲风洞广泛的应用于导弹、高超声速飞行器、空天飞机的模型实验，是航空航天领域内非常重要的地面试验设备。
参加图1，高超声速脉冲风洞一般包括喷管1、与喷管1相通的实验舱2、与实验舱2相通的扩压器3及与扩压器连通的真空罐或引射器4；其中，实验舱2是高超声速脉冲风洞的实验模型场所，实验模型5和模型姿态调整装置6安装在实验舱2内，实验模型5的各种姿态变化通过模型姿态调整装置6的动作来实现。一般可以实现实验模型5的攻角、侧滑角的变化，复杂的还可以模拟滚转角的变化。攻角、侧滑角是高超声速脉冲风洞中实验模型5经常需要变化的两个自由度，主要模拟飞行器在空中的姿态变化。
但目前的模型姿态调整装置6采用电动机或液压等机构和控制系统来调节实验模型5的攻角、侧滑角，这种结构的模型姿态调整装置6结构复杂，使用和操作都不方便；并且故障率较高，生产成本和维护、维修费用都很高。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单且操作方便的高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，包括固定底板、设置在固定底板上且可沿固定底板轴向滑动的水平位移调整机构、设置在水平位移调整机构上端的可在竖直方向上移动的竖直位移调整机构、设置在竖直位移调整机构上端随竖直位移调整机构在竖直方向上下运动的且可在竖直方向上旋转的攻角位移调整机构、设置在攻角位移调整机构上端的可水平旋转的侧滑角位移调整机构；侧滑角位移调整机构的上端用于固定模型；其中
水平位移调整机构包括第一驱动装置及由第一驱动装置驱动的沿固定底板上轴向滑动的移动平板；
竖直位移调整机构包括设置在第二驱动装置、竖直固定在移动平板上的导轨固定架及由第二驱动装置驱动的在竖直方向上下运动的滑块；
攻角位移调整机构包括随滑块上下运动的攻角旋转轴及绕攻角旋转轴转动的攻角旋转板；
侧滑角位移调整机构包括插入攻角旋转板内且可在攻角旋转板上转动的侧滑角旋转轴及随侧滑角旋转轴转动的侧滑角旋转板。
进一步地，固定底板的上表面轴向设有多条平行的水平导轨。
进一步地，水平位移调整机构还包括四个水平滑块，水平滑块分别固定在移动平板底面的四个边角上，水平滑块可移动地安装在水平导轨上。
进一步地，第一驱动装置包括液压泵、由液压泵驱动的液压油缸及安装在液压油缸内的活塞杆，固定底板与液压油缸固定连接，移动平板与活塞杆铰接。
进一步地，第二驱动装置包括设置在导轨固定架两端的第一液压油缸和第二液压油缸；第一液压油缸的活塞杆驱动滑块沿导轨固定架上下运动；第二液压油缸的活塞杆上铰接攻角滑块。
进一步地，导轨固定架包括相对设置的第一导轨固定架和第二导轨固定架；第一导轨固定架和第二导轨固定架上分别设有竖直导轨，滑块包括沿第一导轨固定架的竖直导轨滑动的第一滑块和沿第二导轨固定架的竖直导轨滑动的第二滑块。
进一步地，第一滑块和第二滑块通过连接板连接。
进一步地，攻角旋转板的底面沿轴向设有攻角导轨；当攻角旋转板转动时，攻角滑块沿攻角导轨滑动。
进一步地，侧滑角旋转板上设有圆环通槽，侧滑角旋转板与攻角旋转板的连接螺栓安装在圆环通槽内。
进一步地，侧滑角位移调整机构还包括固定在侧滑角旋转板上的侧滑角旋转杆，侧滑角旋转杆的顶部固定连接模型支撑杆，模型固定在模型支撑杆上。
本发明具有以下有益效果：
根据本发明的高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，通过水平位移调整机构调节模型的水平位移，通过竖直位移调整机构调节模型的竖直方向位移，通过攻角位移调整机构调节模型的攻角，通过侧滑角位移调整机构调节模型的侧滑角，从而实现模型的四自由度姿态调整；本发明的模型姿态调整装置采用自下而上的积木式设计，自下而上依次为水平位移调整机构、竖直位移调整机构、攻角位移调整机构、侧滑角位移调整机构，这种结构设计使得各调整机构之间相对比较独立，相互之间干扰少，结构简单、操作方便；
这种结构的模型姿态调整装置加工、维修、维护方便，没有复杂的控制单元，发生故障的几率较低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术的高超声速脉冲风洞的示意图；
图2是本发明优选实施例的高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置的立体结构示意图；
图3是本发明优选实施例的高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置的主视示意图；
图4是图3的第二状态示意图；
图5是图3的俯视示意图；
图6是本发明优选实施例的侧滑角位移调整机构的立体结构示意图；
图7是图6所示的主视示意图；
图8是本发明优选实施例的侧滑角位移调整机构的结构示意图；以及
图9是图8的A向示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图2，本发明的优选实施例提供了一种高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，包括固定底板10、设置在固定底板10上且可沿固定底板10轴向滑动的水平位移调整机构20、设置在水平位移调整机构20上端的可在竖直方向上移动的竖直位移调整机构30、设置在竖直位移调整机构30上端随竖直位移调整机构30在竖直方向上下运动的且可在竖直方向上旋转的攻角位移调整机构40、设置在攻角位移调整机构40上端的可水平旋转的侧滑角位移调整机构50；侧滑角位移调整机构50的上端用于固定模型60；其中水平位移调整机构20包括第一驱动装置21及由驱动装置21驱动的沿固定底板10上轴向滑动的移动平板22；竖直位移调整机构30包括设置在第二驱动装置31、竖直固定在移动平板22上的导轨固定架32及由第二驱动装置31驱动的在竖直方向上下运动的滑块33；攻角位移调整机构40包括固定在滑块33且随滑块33上下运动的攻角旋转轴41及绕攻角旋转轴41转动的攻角旋转板42；侧滑角位移调整机构50包括插入攻角旋转板42内且可在攻角旋转板42上转动的侧滑角旋转轴51（图2未示出）及随侧滑角旋转轴51转动的侧滑角旋转板52。根据本发明的模型姿态调整装置，通过水平位移调整机构20调节模型60的水平位移，通过竖直位移调整机构30调节模型60的竖直方向位移，通过攻角位移调整机构40调节模型60的攻角，通过侧滑角位移调整机构50调节模型60的侧滑角，从而实现模型60的四自由度姿态调整；本发明的模型姿态调整装置采用自下而上的积木式设计，自下而上依次为水平位移调整机构20、竖直位移调整机构30、攻角位移调整机构40、侧滑角位移调整机构50，这种结构设计使得各调整机构之间相对比较独立，相互之间干扰少，结构简单、操作方便。
固定底板10的上表面沿轴向设有多条平行的水平导轨11，水平导轨11上设有多个螺栓孔。在本实施方式中，水平导轨11为两条。
结合参见图3，水平位移调整机构20包括第一驱动装置21及由第一驱动装置21驱动的沿固定底板10的轴向滑动的移动平板22；移动平板22的底面设有水平滑块23。在本实施方式中，移动平板22的底面的四个边角上分别设有一水平滑块23，水平滑块23与移动平板22通过螺栓固定，水平滑块23可移动地安装在水平导轨11上，沿水平导轨11滑动。通过设立水平滑块23和水平导轨11，使得移动平板22和固定底板10之间产生相对运动的摩擦力减小，因此可减小对第一驱动装置21的动力要求。在本实施方式中，驱动装置21包括液压泵和由液压泵驱动的液压油缸及安装在液压油缸内的活塞杆，固定底板10与液压油缸固定连接，移动平板22与设置在液压油缸内的活塞杆铰接，通过活塞杆推动移动平板22移动。在其他的实施方式中，第一驱动装置21还可以为其他可推动移动平板22移动的动力机构。在本实施方式中，可通过控制液压泵的停止和运动来实现水平位移调整机构20的固定；在其他的实施方式中，还可以水平滑块23还可以采用充气滑块，当水平位移调整机构20到达指定的位置时，对水平滑块23进行充气，使得水平滑块23和水平导轨11的自锁。
结合参见图4，竖直位移调整机构30安装在水平位移调整机构20的上端，且随着水平位移调整机构20的移动而移动。竖直位移调整机构30包括设置在第二驱动装置31、竖直固定在移动平板22上的导轨固定架32及由第二驱动装置31驱动的在导轨固定架32上运动的滑块33；第二驱动装置31包括液压泵、设置在导轨固定架32两端的由液压泵控制的第一液压油缸311和第二液压油缸312；第一液压油缸311通过第一油缸固定架311a固定，第二液压油缸312通过第二油缸固定架312a固定。导轨固定架32包括相对设置的第一导轨固定架321和第二导轨固定架322；第一导轨固定架321和第二导轨固定架322上分别设有竖直导轨，滑块33包括沿第一导轨固定架321的竖直导轨滑动的第一滑块331和沿第二导轨固定架322的竖直导轨滑动的第二滑块332；第一液压油缸311的活塞杆驱动第一滑块331和第二滑块332沿导轨固定架32上下运动；优选地，第一滑块331和第二滑块332通过连接板34连接，以保证第一滑块331和第二滑块332能够同步动作。第二液压油缸312的活塞杆上铰接攻角滑块43，攻角滑块43的上端顶抵攻角旋转板42上。在本实施方式中，液压泵上设有同步阀，以控制第一液压油缸311和第二液压油缸312通过同步动作，以使得打开同步阀时，第一液压油缸311和第二液压油缸312的供油量相同，以保证第一液压油缸311和第二液压油缸312能够同步上下动作。当模型60需要上下运动时，起动液压泵，开启同步阀，使得第一液压油缸311和第二液压油缸312同步动作；第一液压油缸311的活塞杆推动第一滑块331和第二滑块332同时上下运动；第二液压油缸312的活塞杆推动攻角滑块43上下运动。
再次参见图3和图4，攻角位移调整机构40安装在竖直位移调整机构30的上端，随着水平位移调整机构20、竖直位移调整机构30的移动而移动。攻角位移调整机构40包括随滑块33上下运动的攻角旋转轴41及绕攻角旋转轴41转动的攻角旋转板42，攻角旋转轴41可转动地设置在滑块33上，在其他的实施方式中，攻角旋转轴41还可以转动地设置在连接板34上。攻角旋转板42的底部沿轴向设有攻角导轨44，攻角滑块43可沿攻角导轨44滑动。攻角旋转板42铰接在攻角旋转轴41上，可绕攻角旋转轴41转动。具体地，攻角旋转板42包括旋转板421和与旋转板421底部中心的一体成型的旋转环422，攻角旋转轴41安装在旋转环422上，旋转环422可绕攻角旋转轴41转动。攻角旋转轴41的一端设有攻角传感器（附图未示出），以感知攻角旋转轴41的转动角度。当模型60需要在竖直方向转动时，起动液压泵，控制液压泵对第二液压油缸312施加压力，第一液压油缸311不施加压力，第二液压油缸312动作推动攻角滑块43上下运动，使得攻角旋转板42倾斜，同时攻角滑块43沿攻角导轨44滑动，攻角旋转板42从而带动攻角旋转轴41转动，攻角传感器感知攻角旋转轴41的角度变化，通过攻角传感器输出的角度信息，可以知道模型60的角度变化，当调节到所需要的攻角α时，停止液压泵动作即可。在其他的实施方式中，还可以控制液压泵对第一液压油缸311施加压力，第二液压油缸312不施加压力，第一液压油缸311动作推动滑块33上下运动，攻角旋转轴41随着滑块33上下运动；而第二液压油缸312没有施加压力，第二液压油缸312不动作，使得攻角旋转板42倾斜，攻角滑块43沿攻角导轨滑动，从而实现模型60在竖直方向上的转动。
结合参见图6至图9，侧滑角位移调整机构50安装在攻角位移调整机构40的上端，且随着水平位移调整机构20、竖直位移调整机构30及攻角位移调整机构40的移动而移动。侧滑角位移调整机构50包括插入攻角旋转板42内且可在攻角旋转板42上转动的侧滑角旋转轴51、随侧滑角旋转轴51转动的侧滑角旋转板52及固定在侧滑角旋转板52上的侧滑角旋转杆53。侧滑角旋转板52上设有圆环通槽521，侧滑角旋转板52与攻角旋转板42的连接螺栓安装在圆环通槽521内。在本实施方式中，圆环通槽521包括四段相互隔开的圆弧槽段，每一圆弧槽段内安装一连接螺栓，以将侧滑角旋转板52很好的固定。侧滑角旋转轴51上设有侧滑角传感器54，以感知侧滑角旋转轴51的转动角度。当模型60需要水平旋转时，拧松连接螺栓，旋转侧滑角旋转板52，通过侧滑角传感器54输出的角度信息，可以知道模型60的角度变化，当调节到所需要的侧滑角β时，锁紧连接螺栓即可将侧滑角位移调整机构50进行固定。
侧滑角旋转杆53的顶部固定连接模型支撑杆61，模型60固定在模型支撑杆61上。随着水平位移调整机构20、竖直位移调整机构30、攻角位移调整机构40及侧滑角位移调整机构50的移动而移动，从而实现模型60的水平方向移动、竖直方向移动、竖直方向转动及水平方向转动的姿态调整。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
根据本发明的高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，通过水平位移调整机构调节模型的水平位移，通过竖直位移调整机构调节模型的竖直方向位移，通过攻角位移调整机构调节模型的攻角，通过侧滑角位移调整机构调节模型的侧滑角，从而实现模型的四自由度姿态调整；本发明的模型姿态调整装置采用自下而上的积木式设计，自下而上依次为水平位移调整机构、竖直位移调整机构、攻角位移调整机构、侧滑角位移调整机构，这种结构设计使得各调整机构之间相对比较独立，相互之间干扰少，结构简单、操作方便；且这种结构的模型姿态调整装置加工、维修、维护方便，没有复杂的控制单元，发生故障的几率较低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高超声速脉冲风洞四自由度模型姿态调整装置，其特征在于，包括固定底板(10)、设置在所述固定底板(10)上且可沿所述固定底板(10)轴向滑动的水平位移调整机构(20)、设置在所述水平位移调整机构(20)上端的可在竖直方向上移动的竖直位移调整机构(30)、设置在所述竖直位移调整机构(30)上端随所述竖直位移调整机构(30)在竖直方向上下运动的且可在竖直方向上旋转的攻角位移调整机构(40)、设置在所述攻角位移调整机构(40)上端的可水平旋转的侧滑角位移调整机构(50)；所述侧滑角位移调整机构(50)的上端用于固定模型(60)；其中
所述水平位移调整机构(20)包括第一驱动装置(21)及由所述第一驱动装置(21)驱动的沿所述固定底板(10)上轴向滑动的移动平板(22)；
所述竖直位移调整机构(30)包括第二驱动装置(31)、竖直固定在所述移动平板(22)上的导轨固定架(32)及由所述第二驱动装置(31)驱动的在竖直方向上下运动的滑块(33)；
所述攻角位移调整机构(40)包括随所述滑块(33)上下运动的攻角旋转轴(41)及绕所述攻角旋转轴(41)转动的攻角旋转板(42)；
所述侧滑角位移调整机构(50)包括插入所述攻角旋转板(42)内且可在所述攻角旋转板(42)上转动的侧滑角旋转轴(51)及随所述侧滑角旋转轴(51)转动的侧滑角旋转板(52)；
所述第二驱动装置(31)包括设置在所述导轨固定架(32)两端的第一液压油缸(311)和第二液压油缸(312)；所述第一液压油缸(311)的活塞杆驱动所述滑块(33)沿所述导轨固定架(32)上下运动；所述第二液压油缸(312)的活塞杆上铰接攻角滑块(43)。
2.根据权利要求1所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述固定底板(10)的上表面轴向设有多条平行的水平导轨(11)。
3.根据权利要求2所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述水平位移调整机构(20)还包括四个水平滑块(23)，所述水平滑块(23)分别固定在所述移动平板(22)底面的四个边角上，所述水平滑块(23)可移动地安装在所述水平导轨(11)上。
4.根据权利要求3所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述第一驱动装置(21)包括液压泵、由所述液压泵驱动的液压油缸及安装在所述液压油缸内的活塞杆，所述固定底板(10)与所述液压油缸固定连接，所述移动平板(22)与所述活塞杆铰接。
5.根据权利要求1所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述导轨固定架(32)包括相对设置的第一导轨固定架(321)和第二导轨固定架(322)；所述第一导轨固定架(321)和所述第二导轨固定架(322)上分别设有竖直导轨，所述滑块(33)包括沿所述第一导轨固定架(321)的竖直导轨滑动的第一滑块(331)和沿所述第二导轨固定架(322)的竖直导轨滑动的第二滑块(332)。
6.根据权利要求5所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述第一滑块(331)和所述第二滑块(332)通过连接板(34)连接。
7.根据权利要求6所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述攻角旋转板(42)的底面沿轴向设有攻角导轨；当所述攻角旋转板(42)转动时，所述攻角滑块(43)沿所述攻角导轨滑动。
8.根据权利要求1所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述侧滑角旋转板(52)上设有圆环通槽(521)，所述侧滑角旋转板(52)与所述攻角旋转板(42)的连接螺栓安装在所述圆环通槽(521)内。
9.根据权利要求8所述的模型姿态调整装置，其特征在于，所述侧滑角位移调整机构(50)还包括固定在所述侧滑角旋转板(52)上的侧滑角旋转杆(53)，所述侧滑角旋转杆(53)的顶部固定连接模型支撑杆(61)，所述模型(60)固定在所述模型支撑杆(61)上。
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