CN103592090B - 一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，包括以下步骤：步骤一：用模拟螺旋桨（1）替代真实的高空螺旋桨（10），所述模拟螺旋桨（1）的桨叶角小于所述高空螺旋桨（10）的桨叶角；步骤二：将模拟螺旋桨（1）通过支架（2）安装在高空飞艇（3）上；步骤三：启动模拟螺旋桨（1），使其在地面稠密的大气中达到高空螺旋桨（10）在高空飞行时所具有的转速，并按照实际飞行程序进行相关振动测试。本发明的方法通过利用桨叶角小于高空螺旋桨的模拟螺旋桨进行模拟测试，基本模拟了高空螺旋桨及其支架在高空中的振动。

Description

一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法

技术领域

本发明涉及航空器技术领域，具体涉及一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，其适用于在地面进行高空螺旋桨及其支架的模拟振动试验。

背景技术

飞艇是一种轻于空气的航空器，它与气球最大的区别在于具有推进和控制飞行状态的装置。飞艇由巨大的流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体借以产生浮力使飞艇升空。吊舱供人员乘坐和装载货物。尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。

近些年以来，高空飞艇一度成为了研究的热点，它们的最终飞行高度一般都在18km以上，在这一高度上，空气密度不到地面时的十分之一。为了能提供足够的动力，高空飞艇所使用的高空螺旋桨一般都具有较小的桨叶角，桨径达数米。为了给螺旋桨提供稳定可靠的工作平台，并兼顾系统重量，螺旋桨支架不仅需要满足飞艇动力推进的强度需要，也要满足刚性需要。由于高空大气稀薄，空气阻力小，飞艇飞行所需要的推力并不大，但稀薄的大气使得螺旋桨要提供足够的动力，必须具有较大的直径和较高的转速。这使得螺旋桨及其支架会经受剧烈的振动考验。

对于这种高空螺旋桨来说，安装在支架上与飞艇集成进行试验显得不可或缺，如果进行高空螺旋桨及其支架的振动试验，必须模拟高空大气环境，以使螺旋桨能够达到它的额定转速。高空螺旋桨与低空螺旋桨因其桨叶角的差异，使得高空螺旋桨无法在地面稠密的大气环境中到达它的额定转速，因而无法产生与实际相符的振动和推力。如果要提供能容纳下螺旋桨及其支架，以及高空飞艇的环境模拟试验箱，显然是极其困难和造价高昂的。因为高空飞艇的体积一般都在万立方米以上，纵向长度也都在数十米或上百米，直径达几十米，建造如此庞然大物的环境模拟箱，显然是不太现实的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述问题，提供一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，该方法能够基本模拟高空螺旋桨及其支架在高空中的振动。

为实现上述目的，本发明提供了一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，包括以下步骤：

步骤一：用模拟螺旋桨替代真实的高空螺旋桨，模拟螺旋桨的桨叶角小于高空螺旋桨的桨叶角；

步骤二：将模拟螺旋桨通过支架安装在高空飞艇上；

步骤三：启动模拟螺旋桨，使其在地面稠密的大气中达到高空螺旋桨在高空飞行时所具有的转速，并按照实际飞行程序进行相关振动测试。

可选地，在不需要精确测试时，模拟螺旋桨的桨叶角可以为零，这时测试结果相对于实际结果而言误差也较小，基本不影响测试结果。

优选地，步骤一还包括当模拟螺旋桨旋转产生的推力不足时，使用推力补偿机构沿轴向拉动电机，模拟螺旋桨轴向拉力，以进行推力补偿。

作为一种优选方案，推力补偿机构包括沿电机轴向与电机相连的绳索和与绳索的远离电机的一端相连的拉力供应装置。

在一个具体实施例中，拉力供应装置包括通过滑轮与绳索连接的配重。

优选地，当模拟螺旋桨的桨叶角为零时，配重的重量与高空螺旋桨在高空产生的推力相等。

作为一种优选方案，步骤一还包括，将模拟螺旋桨构造成与被模拟的高空螺旋桨具有相同的质量分布，使其引起的振动与高空螺旋桨一致。

优选地，步骤一还包括将模拟螺旋桨构造成与被模拟的高空螺旋桨具有相同长度、质量和转动惯量。

本发明的方法通过利用桨叶角小于高空螺旋桨的模拟螺旋桨进行模拟测试，基本模拟了高空螺旋桨及其支架在高空中的振动。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1a为高空螺旋桨俯视示意图；

图1b为高空螺旋桨侧视示意图；

图2a为模拟螺旋桨俯视示意图；

图2b为模拟螺旋桨侧视示意图；

图3为高空螺旋桨质量分布示意图；

图4为模拟螺旋桨质量分布示意图；

图5为给平板模拟螺旋桨增加模拟推力的结构示意图。

具体实施方式

以下将根据实例并参照附图对本发明的具体实施方式作详细描述。但是，应当说明，本文中所描述的实例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，以使本领域技术人员在阅读本说明书内容后可以实施本发明，而不是对本发明的保护范围的限定。此外，所述附图并非严格依照实际比例大小进行绘制，也并不完整体现所述装置的形状或结构，而仅仅在于方便对本发明的精神和原理的理解，所以，在有些图中为了更加清楚地示出其中的结构而可能被局部或全部放大，并且在有些图中可能对部分结构给予省略以能更为清楚地表示出相应的技术方案。此外，应当明白，关于本装置的对本领域技术人员而言属于显而易见的部分内容，可能并没有在本文中予以重复，但是，这些内容属于本发明的必有内容，因而应当被并入构成本发明整体内容的一部分。

附图1a和1b示出了真实的高空螺旋桨的结构示意图。图2a和2b示出了模拟螺旋桨的结构示意图。

安装在支架上的螺旋桨的振动，主要由两方面构成：绕旋转轴高速转动的桨叶因气动阻力和动平衡造成的振动，以及螺旋桨推力产生的轴向载荷。其中，螺旋桨轴向推力产生的振动相对于螺旋桨旋转产生的振动而言，是不在同一数量级的小量，在非精确测试过程中，可忽略不计。在地面进行振动测试，为确保提供与高空螺旋桨10一样的振动源，进行以下处理：

(1)用模拟螺旋桨1替代真实高空螺旋桨10；

(2)将模拟螺旋桨1通过支架2安装在高空飞艇3上；

(3)如果因模拟螺旋桨1桨叶角过小而产生的推力不足，使用绳索沿轴向拉动电机，模拟螺旋桨1轴向拉力；

(4)启动模拟螺旋桨1，按照实际飞行程序进行相关振动测试。

具体而言，不需要精确测试时，模拟螺旋桨1桨叶角可为零或极小，亦即模拟螺旋桨1形状是平板，但它与高空螺旋桨10具有相同的质量分布，在测试过程中，虽然螺旋桨轴向推力产生的振动激励源无法模拟，但结果与实际相比只存在较小误差。在精确测试过程中，模拟螺旋桨1相对于高空螺旋桨10具有较小的桨叶角，使得模拟螺旋桨1在地面稠密的大气中能达到高空螺旋桨10在高空飞行时所能达到的额定转速，且产生与高空螺旋桨10相同的轴向推力，模拟螺旋桨1与高空螺旋桨10具有相同的质量分布。

除了使用模拟螺旋桨1替代高空螺旋桨10之外，螺旋桨支架2及高空飞艇3都是实际使用的，在测试过程中，飞艇压差及螺旋桨转动完全按照实际使用程序，根据布设在螺旋桨支架2上的振动测试元器件测量在模拟飞行过程中的振动。

由于大气层随着高度增加，密度急剧减小，高空大气比低空稀薄很多，高空螺旋桨10为了能提供足够的推力，其桨径一般都很大，具有较大的桨叶角，高空螺旋桨10示意图如图1a和1b所示。具有这样特点的高空螺旋桨10在低空稠密的大气层中无法达到它的额定转速，因而由螺旋桨转动引起的振动与实际相比，相差甚远。为了在地面能模拟高空螺旋桨10的转动，设计模拟螺旋桨1进行地面试验，根据对测试结果精度的不同要求，模拟螺旋桨1的设计分两种方式：

1.具有较小桨叶角的模拟螺旋桨1，该模拟螺旋桨1具有较小的桨叶角，所选用的桨叶角在地面稠密的大气中，能达到高空螺旋桨10在高空稀薄大气中的运转速度，模拟螺旋桨1在地面产生的推力与高空螺旋桨10在高空飞行时产生的推力相等，由于设计较小桨叶角的模拟螺旋桨1造价比较高，因而这种试验方式成本较高；

2.平板模拟螺旋桨1，该模拟螺旋桨1桨叶角为零，亦即其桨叶截面为平板，由于该平板模拟螺旋桨1在旋转时不产生推力，因为其桨叶在旋转时受到的空气阻力很小，因而它在地面稠密大气中能达到很高的旋转速度，能轻易到达高空螺旋桨10在高空时的旋转速度。由于模拟螺旋桨1桨叶角为零，其旋转过程中基本不产生推力。为了提供足够的推力，如图5所示，高空螺旋桨10产生的推力通过绳索4提供，绳索4一端与模拟螺旋桨1的支架2连接，另一端绕过定滑轮5，与配重6连接，由于模拟螺旋桨1的桨叶角为零，其基本不产生推力，因此本实施例中该配重6的重量与模拟螺旋桨1产生的推力相等。

无论是具有较小桨叶角的模拟螺旋桨1，还是平板模拟螺旋桨1，其桨叶与高空螺旋桨10相比，应具有相同的质量分布。

高空螺旋桨10桨叶质量分布如图3所示，其质量为：

$M_1=2{\∫}_0^{\frac{L_1}{2}}{\mathrm{dM}}_1\left(x\right)$

模拟螺旋桨1桨叶质量分布如图4所示，其质量为：

$M_2=2{\∫}_0^{\frac{L_2}{2}}{\mathrm{dM}}_2\left(x\right)$

为使模拟螺旋桨1与高空螺旋桨10具有相同的质量分布，需满足：

L₁＝L₂；

M₁(x)=M₂(x)。

根据转动惯量公式：

$J=2{\∫}_0^{\frac{L}{2}}{x}^2\mathrm{dM}\left(x\right)$

分别代入模拟螺旋桨1和高空螺旋桨10相关参数，显然可得：

J1=J2

所设计的模拟螺旋桨1与高空螺旋桨10除了满足以上条件，在使用平板模拟螺旋桨1进行测试时，需要提供模拟螺旋桨1推力。如图5所示，如果螺旋桨推力为F，配重6重量为G，则应满足：

F=G

设计满足上述条件的模拟螺旋桨1，将模拟螺旋桨11安装在支架2之上，安装方式与实际使用中的安装方式相同，支架2安装在飞艇3之上，安装方式与实际使用中相同。

启动电机和模拟螺旋桨1，按照飞艇3设定程序控制模拟螺旋桨1转速，即可在地面模拟高空螺旋桨10及其支架振动。

综上所述，本发明的在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，通过采用桨叶角小于高空螺旋桨的模拟螺旋桨，基本真实地模拟了高空螺旋桨及其支架的振动。

Claims (6)

1.一种在地面测试高空螺旋桨及其支架振动的方法，包括以下步骤：

步骤一：用模拟螺旋桨(1)替代真实的高空螺旋桨(10)，所述模拟螺旋桨(1)的桨叶角小于所述高空螺旋桨(10)的桨叶角，将所述模拟螺旋桨(1)构造成与被模拟的高空螺旋桨(10)具有相同的质量分布，使其引起的振动与高空螺旋桨(10)一致；

步骤二：将模拟螺旋桨(1)通过支架(2)安装在高空飞艇(3)上；

步骤三：启动模拟螺旋桨(1)，使其在地面稠密的大气中达到高空螺旋桨(10)在高空飞行时所具有的转速，并按照实际飞行程序进行相关振动测试，其中，

所述步骤一还包括当所述模拟螺旋桨(1)旋转产生的推力不足时，使用推力补偿机构沿轴向拉动电机，模拟模拟螺旋桨(1)轴向拉力，以进行推力补偿。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟螺旋桨(1)的桨叶角为零。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述推力补偿机构包括沿电机轴向与所述电机相连的绳索(4)和与所述绳索(4)的远离电机的一端相连的拉力供应装置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拉力供应装置包括通过滑轮与绳索(4)连接的配重(6)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述模拟螺旋桨(1)的桨叶角为零时，所述配重(6)的重量与高空螺旋桨(10)在高空产生的推力相等。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤一还包括将所述模拟螺旋桨(1)构造成与被模拟的高空螺旋桨(10)具有相同长度、质量和转动惯量。