CN104990683A - 一种分段式微量铰链力矩天平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段式微量铰链力矩天平，属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，所述的分段式微量铰链力矩天平为全钢件组合结构，包括测量装置，隔热装置，限位保护装置组成。所述的测量装置包括单分量天平和六分量杆式天平，单分量天平的中心轴线与六分量杆式天平中心轴线垂直，单分量天平固定在六分量杆式天平的自由端，利用单分量天平测量微量铰链力矩，利用六分量杆式天平测量舵面所受的全部气动力以修正其它气动力对微量铰链力矩的干扰，从而提高测量的分辨率和准度。所述的隔热装置设置在测量装置外部，增强了测量装置的防热隔热性能，降低了温度效应，提高了高马赫数条件下风洞试验微量铰链力矩测量精度。

Description

一种分段式微量铰链力矩天平

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，针对高超声速飞行器模型的铰链力矩风洞测力试验时，利用一种分段式的微量铰链力矩天平实现对全动舵模型控制舵在高马赫数下的微量铰链力矩测量，获得高精度和准度的气动力测量结果。

背景技术

铰链力矩测量试验是基础性的风洞测力试验项目。随着我国航天航空事业的发展，对风洞试验技术的要求日益提高，微量铰链力矩测量技术作为一项重点风洞试验技术被广泛用于型号模型气动特性研究和关键控制参数测量，微量铰链力矩天平研究是微量铰链力矩试验技术的重要支撑。

常用的铰链力矩天平有两种形式：横轴式和纵轴式。横轴式的铰链力矩天平，天平的中心轴与模型轴线垂直，舵面的铰链力矩为天平的滚转力矩，该结构的天平测量元件受模型空间限制往往是三分量或五分量的组合元件，即天平的同一测量梁不仅要完成对控制舵的升力（侧力）、俯仰力矩（偏航力矩）的测量，而且还要完成对控制舵铰链力矩的测量，在现有的技术条件和应变计粘贴最小尺寸的限制下，在保证Y和Mz满足强度要求的情况下，天平升力元和铰链力矩元的载荷之比最大不超过100倍，超出了以上范围，铰链力矩的测量精准度难以满足要求，纵轴式的铰链力矩天平，天平的中心轴与模型轴线平行，舵面铰链力矩为天平的俯仰力矩，这种形式的天平校准中心与舵面转轴难以重合，两者距离产生的附加力矩占天平设计量程的90%以上，要实现对舵面铰链力矩的准确测量同样具有很大的难度。

因此，现有的铰链力矩天平无法实现对微量铰链力矩的精确测量，主要存在以下测量困难：

（1）天平的铰链力矩载荷小，升力元和铰链力矩的载荷比例超过300倍以上，天平各载荷严重不匹配，常见的铰链力矩测量方式难以达到测量要求，天平强度、天平灵敏度和元件间的相互矛盾非常突出。

（2）高马赫数条件下天平的温度效应直接影响测量精准度。

受模型空间尺寸的限制，常用的铰链力矩天平无法采用常规测力试验天平的水冷防热结构，致使天平的工作环境非常恶劣，要实现在高马赫数下对微量铰链力矩的精确测量，温度的影响不容忽视。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有高马赫数下微量铰链力矩测量精度和准度的不足，准确测量舵面的铰链力矩系数，本发明采用了一种分段式的微量铰链力矩天平的结构。

为实现上述技术方案，本发明采用如下技术方案：

一种分段式微量铰链力矩天平，包括一台纵轴式的六分量铰链力矩天平和一台横轴式的微量单分量铰链力矩天平；

所述六分量铰链力矩天平包括自由端连接锥体、固定端连接锥体和两连接锥体之间的测量装置，整个六分量铰链力矩天平为全钢件一体化结构；六分量铰链力矩天平外部设置有一层隔热层，整个六分量铰链力矩天平套入支杆内，支杆上设置有拉紧楔用于固定支杆；

所述微量单分量铰链力矩天平包括前端连接锥体、后端连接锥体和测量装置，前端连接锥体的轴心线与后端连接锥体的轴心线垂直，整个微量单分量铰链力矩天平为全钢件一体化结构；

微量单分量铰链力矩天平的后端连接锥体的内锥面与六分量铰链力矩天平的自由端连接锥体的外锥面相配合，通过设置在自由端连接锥体上的拉紧定位装置固定两个连接锥面；

微量单分量铰链力矩天平的前端连接锥体的内锥面上设置有一层隔热层。

在上述技术方案中，所述微量单分量铰链力矩天平上设置有变角锁紧装置，变角锁紧装置设置在前端连接锥面的外锥台上，通过改变变角装置的角度实现微量单分量铰链力矩天平对不同角度测量舵的测量。

在上述技术方案中，前端连接锥面的外锥面上设置有限位保护装置。

在上述技术方案中，所述六分量铰链力矩天平中的测量装置分为三段，每两段之间设置有等直段。

在上述技术方案中，所述微量单分量铰链力矩天平前端连接锥的高与底边的比为1:10，后端连接锥的高于底边的比为1:5。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

组合结构的设计：本发明设置的组合结构为一台横轴式的单分量微量铰链力矩天平和一台纵轴式的六分量测力天平组合而成，该天平既具有横轴式铰链力矩天平测量直接、准确的优点，同时有具有纵轴式的六分量测力天平测量全面的优点。

隔热装置的设置：所述的铰链力矩天平，测量舵通过隔热绝热装置一与微量单分量铰链力矩天平连接端连接，六分量铰链力矩天平固定端经隔热绝热装置二与支杆连接。隔热绝热装置能够减小气流串动，提高隔热性效果，能有效减小试验中高马赫数下的天平温度效应，提高天平测量的准确性和可靠性。

变角装置的设置：本发明所述的铰链力矩天平测量舵通过变角装置实现测量舵舵偏角角度变换。该结构具有定位准确，操作方便等优点。

限位保护装置的设置：本发明所述的铰链力矩天平在横轴式的单分量微量铰链力矩天平上设置有限位保护装置，由于横轴式的单分量微量铰链力矩天平的测量载荷小，应变梁薄，在更换试验条件过程中易损坏天平，限位保护装置的设置提高了试验的安全性。

等直段的设置：纵轴式的六分量测力天平三个顺序连接的元件段之间设置有等直段，不仅使得各元件段对各自所测量的分量敏感，而且具有较大的抗其它分量干扰的能力。

本发明可根据不同测量舵的铰链力矩载荷，更换微量单分量铰链力矩天平与六分量铰链力矩天平固连，具有天平量程覆盖面大、适用范围广的特点。

本发明的一种分段式微量铰链力矩天平，在保证天平强度、刚度足够的情况下，提高了各分量的灵敏度，减小了各分量之间的干扰，具有测量精度高、通用性强的特点，本发明所述的分段式微量铰链力矩天平不仅实现了在高马赫数下对全动舵模型微量铰链力矩的精确测量，同时还可以实现对控制舵六个分量的测量，两台天平测量的铰链力矩相可以互印证、相互对比，提高了天平测量的可靠性和准确性。

附图说明

图1是本发明的一种分段式微量铰链力矩天平的装配图；

图2是本发明的一种分段式微量铰链力矩天平的主视图；

图3是本发明的一种分段式微量铰链力矩天平的俯视图；

图4是图2的A-A剖视图；

图5是图2的B-B剖视图；

图6是图2的C-C剖视图；

图7是图2的D-D剖视图；

图8是图2的E-E剖视图；

图9是图2的F-F剖视图；

图10是图2的G-G剖视图；

图11是图2的M向视图；

图1中1.微量单分量铰链力矩天平 2.隔热装置一 3.拉紧螺母 4.变角块 5.限位保护块 6.压紧螺钉 7.平键 8.拉紧楔 9.六分量铰链力矩天平 10.隔热装置二 11.拉紧楔 12.支杆。

图2～图11中13.微量单分量铰链力矩天平的外支撑框 14.微量单分量铰链力矩天平的内连接段 15. 拔模装置安装螺钉孔 16.微量单分量铰链力矩天平测量装置 17.六分量铰链力矩天平Y、Mz、Z、My元测量装置一 18.六分量铰链力矩天平X元测量装置一 19.六分量铰链力矩天平Y、Mz、Z、My元测量装置二 20.六分量铰链力矩天平键槽 21.六分量铰链力矩天平拉紧楔孔 22.微量单分量铰链力矩天平前端连接锥面 23.微量单分量铰链力矩天平变角块安装平面 24.限位块螺钉孔 25.限位块安定面 26.微量单分量铰链力矩天平后端连接锥面 27.六分量铰链力矩天平自由端连接锥面 28.铰链力矩天平等直段 29.铰链力矩天平走线孔 30.六分量铰链力矩天平固定端连接锥面 。

具体实施方式

本发明的一种分段式微量铰链力矩天平为了对全动舵模型测量舵的微量铰链力矩测量，采用了一个分段式结构，它由单分量微量铰链力矩天平、六分量天平、绝热和隔热装置以及限位保护装置四大部分构成。

本发明的一种分段式微量铰链力矩天平的设计载荷为法向力Y分量为30N，俯仰力矩Mz分量为1.8N.m，轴向力X分量为30N，滚转力矩Mx分量为0.06N.m，侧向力X分量为20N，偏航力矩My分量为0.8N.m。试验马赫数范围为 5～10，流场温度为800°C。

 如图1所示，是本发明的一种分段式微量铰链力矩天平的装配图，本发明为分段式全钢件组合结构，由依次连接的隔热装置一、微量单分量铰链力矩天平、变角锁紧装置、限位保护装置、拉紧定位装置、六分量铰链力矩天平、隔热装置二、拉紧楔和支杆组成。

从图2～图11中可以看出：分段式微量铰链力矩天平中微量单分量铰链力矩天平依次由微量单分量铰链力矩天平的外支撑框、微量单分量铰链力矩天平的内连接段、拔模装置安装螺钉孔、微量单分量铰链力矩天平测量装置、微量单分量铰链力矩天平前端连接锥面. 微量单分量铰链力矩天平变角块安装平面、限位块螺钉孔、限位块安定面、微量单分量铰链力矩天平后端连接锥面组成；分段式微量铰链力矩天平中六分量铰链力矩天平依次由六分量铰链力矩天平自由端连接锥面，六分量铰链力矩天平Y、Mz、Z、My元测量装置一，六分量铰链力矩天平X元测量装置，六分量铰链力矩天平Y、Mz、Z、My元测量装置二，六分量铰链力矩天平键槽，六分量铰链力矩天平拉紧楔孔，铰链力矩天平等直段，天平走线孔，六分量铰链力矩天平固定端连接锥面组成。

试验过程中，模型测量舵通过隔热装置一及1:10的锥与微量单分量铰链力矩天平测量舵连接端连接，通过测量装置，由单分量铰链力矩天平完成对测量舵铰链力矩的精确测量，单分量微量铰链力矩天平为横置式天平结构，其优点是天平轴线与舵轴转轴重合，消除了由于位置偏差带来的附加力矩干扰，铰链力矩测量结果可由天平测量直接得到，减少了天平修正的影响。测量舵感受的气动力经舵轴传至微量铰链力矩天平测量装置上，测量装置用四片成45度方向的长宽高分别为8×3.2×0.36的薄片梁组成，整个微量铰链力矩天平采用“外方内圆、前圆后方”的结构：“外方”是指微量单分量铰链力矩天平的外支撑框为正方形结构，目的是便于天平的安装和校准，“内圆”微量单分量铰链力矩天平的内连接段为圆形结构，其目的是便于天平元件测量梁的布局和测量舵的安装定位，使天平受力均匀、变形一致。“前圆”是指微量单分量铰链力矩天平前端连接锥面为1：10的圆锥结构，有利于保证舵轴与天平元件中心的一致性，减小天平的安装误差，提高天平的测量精准度。“后方”是指微量单分量铰链力矩天平变角块安装平面为方形结构，有利于测量舵舵偏角的变换和测量舵的安装和定位。

测量舵角度的变换通过变角块的方式实现。该结构具有定位准确，操作方便等优点。

为了装拆模型和更换试验条件时用力过大造成微量单分量天平载荷过载，专门在元件上设置了限位保护装置防止天平过载损坏，并巧妙的研制了精巧实用的专用拆卸工具，为试验的顺利进行提供安全保障。

微量单分量铰链力矩天平件固定端通过1：5的内锥与六分量铰链力矩天平自由端连接，用楔子拉紧，平键定位，通过纵轴式的六分量铰链力矩天平的测量装置，经隔热装置二、六分量铰链力矩天平固定端与支杆连接，用楔子拉紧，平键定位。纵轴式的六分量铰链力矩天平的测量装置分为三个元件段，第一元件段、第三元件段组合构成法向力Y分量测量元件、俯仰力矩Mz分量测量元件、侧向力Z分量测量元件、偏航力矩My分量测量元件和滚转力矩Mx分量测量，第二元件段为轴向力X分量测量元件；测量元件段为传统的便于加工和应变计粘贴的矩形梁结构，轴向力X分量测量元件是采用支撑梁和横门形梁组合的形式，该结构具有抗干扰能力强的优点，三个顺序连接的元件段之间设置的等直段，不仅使得各元件段对各自所测量的分量敏感，而且具有较大的抗其它分量干扰的能力。

各测量装置分别对各自测量分量的气动载荷敏感，产生相对明显的变形，而对其它分量的气动载荷不敏感，不产生或产生尽量小的变形。这样就实现了对作用在飞行器模型上的空气动力和力矩在一种分段式微量铰链力矩天平结构上的机械分解或部分机械分解。通过在上述的测量装置上分别设置电阻应变计，并分别组成对应的六个分量的惠斯通全桥测量电路，使其它分量的气动载荷所产生的应变不改变或基本不改变电桥的平衡状态，实现了对作用在飞行器模型上的空气动力和力矩在一种分段式微量铰链力矩天平上的电气分解。本发明所述的一种分段式微量铰链力矩天平可根据不同测量舵的铰链力矩载荷，更换量程的微量单分量铰链力矩天平与六分量铰链力矩天平固连，具有天平量程覆盖面大、适用范围广的特点。

风洞试验过程中，作用在飞行器模型上的空气动力载荷使本发明的分段式微量铰链力矩天平的测量元件产生相应的变形，设置在测量元件上的应变计也产生相应的变形，其电阻发生变化，产生一个电阻增量，这个电阻增量由应变计组成的惠斯通全桥电路把它转换成电压信号增量，将这个电压信号增量通过计算机处理后就实现了对作用在飞行器模型上的空气动力载荷的精确测量

为了减小天平在高马赫数下的温度效应，提高天平的测量精准度，本发明所述分段式微量铰链力矩天平通过隔热装置把整个六分量天平安装在支杆内部，采用隔热套隔热的措施减小和降低天平的温度效应，对于微量单分量天平为了防止热气流通过舵轴与模型间的间隙直接向天平对流和辐射，在测量舵轴与天平之间加隔热效果良好的高硅氧玻璃钢套，减小气流串动，以达到降低天平温度效应的目的，这样就使天平测量电桥具有良好的温度特性，配合天平的温度补偿，实现了在高马赫数下对微量铰链力矩的精确测量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种分段式微量铰链力矩天平，其特征在于包括一台纵轴式的六分量铰链力矩天平和一台横轴式的微量单分量铰链力矩天平；

所述六分量铰链力矩天平包括自由端连接锥体、固定端连接锥体和两连接锥体之间的测量装置，整个六分量铰链力矩天平为全钢件一体化结构；六分量铰链力矩天平外部表面设置有一层隔热层，整个六分量铰链力矩天平套入支杆内，支杆上设置有拉紧楔用于固定支杆；

所述微量单分量铰链力矩天平包括前端连接锥体、后端连接锥体和测量装置，前端连接锥体的轴心线与后端连接锥体的轴心线垂直，整个微量单分量铰链力矩天平为全钢件一体化结构；

微量单分量铰链力矩天平的后端连接锥体的内锥面与六分量铰链力矩天平的自由端连接锥体的外锥面相配合，通过设置在自由端连接锥体上的拉紧定位装置固定两个连接锥面；

微量单分量铰链力矩天平的前端连接锥体的内锥面上设置有一层隔热层。

2.根据权利要求1所述的一种分段式微量铰链力矩天平，其特征在于所述微量单分量铰链力矩天平上设置有变角锁紧装置，变角锁紧装置设置在前端连接锥面的外锥台上，通过改变变角装置的角度实现微量单分量铰链力矩天平对不同角度测量舵的测量。

3.根据权利要求1所述的一种分段式微量铰链力矩天平，其特征在于前端连接锥面的外锥面上设置有限位保护装置。

4.根据权利要求1所述的一种分段式微量铰链力矩天平，其特征在于所述六分量铰链力矩天平中的测量装置分为三段，每两段之间设置有等直段。

5.根据权利要求1所述的一种分段式微量铰链力矩天平，其特征在于所述微量单分量铰链力矩天平前端连接锥的锥度为1:10，后端连接锥的锥度为1:5。