CN105806586B

CN105806586B - 一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置

Info

Publication number: CN105806586B
Application number: CN201610308222.9A
Authority: CN
Inventors: 许晓斌; 王雄; 谢飞; 舒海峰; 孙鹏; 朱涛; 侯峰伟; 向立光; 吕超
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2036-05-11
Also published as: CN105806586A

Abstract

本发明提供了一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，所述的装置采用内、外天平嵌套组合的测量方法实现，内天平选用中心通气的杆式六分量天平组件，外天平选用中空的轮辐式结构，内、外天平之间采用滚转摩擦阻尼极小的气浮轴承连接；包括尾支杆、气浮轴承支撑装置、模型后段和模型前段；尾支杆分别与气浮轴承支撑装置、模型机构固定连接；气浮轴承支撑装置与模型后段连接，模型后段与模型前段通过螺纹连接。这种气动力测量装置结构简单、体积小、整体刚度高，根据测量载荷特点和天平结构约束条件将不同的测量分量分布在内、外天平上，适用于小不对称再入体气动力测量的高超声速风洞试验，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰，提高测量精准度。

Description

一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置。

背景技术

传统的轴对称高超声速再入体（如洲际导弹弹头、返回式卫星等，以下简称再入体），一般采用零攻角惯性再入方式，再入体端部烧蚀外形总体上呈轴对称分布、外形不对称程度低。特别是大型化再入体的质量、惯量和尺寸都比较大，因而上述外形变化对再入体气动性能的影响相对较小。而目前，某些高超声速再入体采用小倾角再入方式，再入过程中不可避免地产生小不对称烧蚀现象，将对再入体的气动力特性（包括的升阻特性、力矩特性）和静动态稳定性等产生明显影响；而同时因控制系统的需要，系统对小倾角再入体气动特性的预测精度提出了更高的要求，滚转气动力矩系数误差常值项预测精度需达到10^-5量级（滚转力矩测量精度需达到10^-2Nm量级，即再入体模型支撑装置自身的滚转阻尼力矩需小于10^-4Nm量级）。因此，如何精确预测小不对称烧蚀外形再入体的气动特性，是型号设计必须解决的关键技术问题。

目前，高超声速风洞气动力试验是获得高超声速再入体气动力特性数据、评估其气动性能的主要手段之一。新型高超声速再入体的气动布局、小不对称烧蚀以及控制系统对气动特性系数预示精度要求高等特点，对弹头气动特性的风洞试验预测精度提出了很高的要求，包括小不对称外形高精度六分量气动特性、小滚转力矩高精度测量等，都是尚未完全解决的技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置。

本发明的气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特点是：包括尾支杆、气浮轴承支撑装置、模型后段、模型前段、平键、M6带销螺钉、正反拉紧螺母和内天平组件；尾支杆后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆前端与气浮轴承支撑装置中内天平组件通过1:5锥面、平键和正反拉紧螺母固定连接；气浮轴承支撑装置与模型后段之间采用1:10锥面连接，通过M6带销螺钉定位、紧固；模型后段与模型前段通过螺纹固定连接。

所述的气浮轴承支撑装置是小不对称再入体气动力测量装置的主要部件，包括内天平组件、后端盖、内轴套、外轴套、浮动外轴、前端盖、外天平、平垫、弹性垫片、外六角头螺栓、内六角螺钉和M5带销螺钉；内轴套与外轴套过盈配合组成带有空气回路的固定内轴；内天平组件与内轴套之间采用1:5锥面连接，通过外六角头螺栓、弹性垫片和平垫紧固；内天平组件与外天平内环之间通过外六角头螺栓、弹性垫片和平垫连接紧固，保证连接可靠；外天平外环与浮动外轴通过M5带销螺钉实现小间隙配合；前端盖、后端盖通过内六角螺钉与外轴套固定连接，浮动外轴与前端盖、后端盖和外轴套之间形成气隙，浮动外轴与外轴套之间可实现滚转摩擦阻尼小于10^-4Nm量级的相对转动；浮动外轴与外轴套之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉驱动外天平的外环进行转动，使得外天平的内环和外环之间产生变形，通过测量变形输出，即可得到滚转力矩。

所述的气浮轴承支撑装置与再入体模型连接位置处于模型的中后部。

所述的内天平组件包括天平本体、波纹管、通气管和堵头；天平本体采用中心通气的杆式六分量天平结构，直径为Ф35mm，轴向力元件采用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱；内天平组件的 QUOTE 、QUOTE 、 QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE 分量采用三柱矩形柱典型结构测量，对称布置于轴向力元件两端，尽量增大天平横侧向的 QUOTE 、 QUOTE 、 QUOTE 以及 QUOTE 分量的应变信号输出；内天平组件的前后锥装配面与测量梁之间设置过渡段，以减小装配应力影响。

所述的内天平组件中的波纹管采用与天平本体相同的材料加工，通气管采用不锈钢材料，通过结构优化设计保证波纹管的强度、减小对内天平组件轴向力测量灵敏度的影响；堵头采用铜合金材料加工，防止天平本体前端漏气；波纹管、通气管和堵头内置于天平本体中空的通孔内，与天平本体共同组成气浮轴承的部分通气回路；波纹管、通气管和天平本体之间，连接部位采用焊接或胶封等措施。

所述的外天平采用中空的轮辐式结构，包括内环、外环、T型结构和矩形柱；内环为固定端，通过1:5配合锥面与内天平组件连接；外环为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉小间隙配合，M5带销螺钉与浮动外轴固定连接；T型结构为滚转力矩测量的敏感元件，内环与外环之间通过4个均布的T型结构连接；与内环固定连接的4个均布的矩形柱和外环内侧4个均布的矩形凹槽之间形成小间隙配合，构成外天平的防过载保护结构。

所述的浮动外轴与外轴套之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉驱动外天平的外环进行转动，使得内环与外环之间的T型结构产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，浮动外轴与外轴套之间产生较大的相对转动，内环的矩形柱与外环内侧对应的矩形凹槽产生碰触，对外天平进行防过载保护。

本发明的气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置具有以下特点：

1. 采用内、外天平嵌套组合的方法测量小不对称再入体六分量气动力，以便在保证其他分量测量精度的前提下，尽可能提高小滚转力矩方法测量的精准度；气浮轴承支撑使较小的滚转力矩测量不受再入体模型其他大载荷分量干扰，并可将支撑自身的滚转摩擦阻尼对滚转力矩测量的影响减小到10^-6Nm量级水平。

2. 内天平本体采用中心通气的六分量杆式天平结构，轴向力元件采用T形梁结构，布置于天平力矩中心处，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱结构，其他元对轴向力元的干扰较小；内天平组件中心的通气管路中设有波纹管，用以削弱管路对天平轴向力测量灵敏度的不利影响；外天平采用中空的轮辐式结构，滚转力矩元件设计量程较小，设计了防过载保护结构。

3. 气浮轴承支撑装置与再入体模型的接口位置处于模型的中后部，试验过程中模型该部位的温度上升相对缓慢，尤其是内、外天平的测量元件均与再入体模型不直接接触，有利于降低试验过程中天平的温度效应。

4. 这种气浮轴承支撑的气动力测量装置具有结构简单、体积紧凑、整体刚度高、小滚转力矩测量灵敏高等特点，适用于小不对称再入体六分量气动力测量的高超声速风洞试验。

总之，本发明的气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，采用内、外天平嵌套组合的方法测量小不对称再入体的六分量气动力，在保证其他五分量测量精度的前提下，能大幅提高小滚转力矩分量测量的灵敏度和精准度；具有结构简单、体积紧凑、整体刚度高等特点，适用于小不对称再入体六分量气动力测量的高超声速风洞试验。同时，这种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置能够用于其他类型气动力测量的风洞试验场合，尤其能够用于各种高精度的小滚转力矩测量风洞试验。

附图说明

图1为本发明的气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置示意图；

图2为本发明装置中的气浮轴承支撑装置示意图；

图3为本发明装置中的内天平组件示意图；

图4为本发明装置中的内天平组件A-A剖视图；

图5为本发明装置中的内天平组件B-B剖视图；

图6为本发明装置中的外天平结构示意图；

图中，1.尾支杆 2.气浮轴承支撑装置 3.模型后段 4.模型前段 5.平键 6.M6带销螺钉 7.正反拉紧螺母 8.内天平组件 9.后端盖 10.内轴套 11.外轴套 12.浮动外轴13.前端盖 14.外天平 15.平垫 16.弹性垫片 17.外六角头螺栓 18.内六角螺钉 19.M5带销螺钉 20.天平本体 21.波纹管 22.通气管 23.堵头 24.内环 25.外环 26.T型结构 27.矩形柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1为小不对称再入体气动力测量试验装置的结构示意图，包括尾支杆1、气浮轴承支撑装置2、模型后段3、模型前段4、平键5、M6带销螺钉6、正反拉紧螺母7。尾支杆1后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆1前端与气浮轴承支撑装置2中内天平组件8通过1:5锥面、平键5和正反拉紧螺母7固定连接；气浮轴承支撑装置2与模型后段3之间采用1:10锥面连接，通过M6带销螺钉6定位、紧固；模型后段3与模型前段4通过螺纹固定连接。

气浮轴承支撑装置2与再入体模型的接口位置处于模型的中后部，试验过程中模型该部位的温度上升相对缓慢，尤其是内天平组件8和轮辐式天平14的测量元件均与模型不直接接触，有利于降低天平的温度效应。

图2为气浮轴承支撑装置2的结构示意图，包括内天平组件8、后端盖9、内轴套10、外轴套11、浮动外轴12、前端盖13、外天平14、平垫15、弹性垫片16、外六角头螺栓17、内六角螺钉18和M5带销螺钉19。内轴套10与外轴套11过盈配合组成带有空气回路的气浮轴承固定内轴；内天平组件8与内轴套10之间采用1:5锥面连接，通过外六角头螺栓17、弹性垫片16和平垫15紧固；内天平组件8与外天平14的内环24之间通过外六角头螺栓17、弹性垫片16和平垫15连接紧固，保证连接可靠；外天平14的外环25与浮动外轴12之间通过M5带销螺钉19实现小间隙配合；前端盖13、后端盖9通过内六角螺钉18与外轴套11固定连接，浮动外轴12与前端盖13、后端盖9和外轴套11之间形成气隙，浮动外轴12与外轴套11之间可实现滚转摩擦阻尼小于10^-4Nm量级的相对转动；当浮动外轴12与外轴套11之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉19驱动外天平14的外环25产生转动，使得外天平14的内环24和外环25之间产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩。

结合图1和图2可知，小不对称再入体气动力测量采用内天平组件8与外天平14嵌套组合的测量方法。内天平组件8采用中心通气的杆式六分量天平组件，测量除滚转力矩外的其他五分量气动力，能够保证测量精度；外天平14采用中空的轮辐式结构，测量滚转力矩分量；内天平组件8、外天平14之间用滚转摩擦阻尼小于10^-4Nm量级的气浮轴承支撑装置2连接。这种由分立天平元件嵌套组合的测量方法，根据测量载荷特点和天平结构约束条件，将不同的测量分量分布在内天平组件8和外天平14上，能够适应试验要求、降低加工难度，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰、提高测量精准度。

气浮轴承设计：本发明的小不对称再入体气动力测量风洞试验装置使用不频繁，运行时间短，轴承寿命不是主要因素；滚转摩擦阻尼的大小对轴承选型起决定性作用，选用滚转摩擦阻尼极小的气浮轴承支撑。气浮轴承的摩擦阻尼力矩可分为径向摩擦力矩和轴向摩擦力矩，其计算方法如下：

1.径向摩擦力矩

其中：D为气浮轴承的轴套内径，D=80mm；为气浮轴承的轴套有效工作面长度，L=150mm；c为气浮轴承的轴与轴套半径方向的平均间隙，c=0.015mm；μ为25℃时空气的动力粘度，；为气浮轴承的角速度，。

2.轴向摩擦力矩

其中：为止推轴承中的设计尺寸，为两个止推面之间的平均间隙，μ为25℃时空气的动力粘度，；为气浮轴承的角速度，。

3.总摩擦力矩

本发明的气浮轴承支撑自身的滚动摩擦阻尼满足设计要求。

图3为内天平组件8的结构示意图，图4、5为内天平组件8的结构剖视图。内天平组件8包括天平本体20、波纹管21、通气管22和堵头23。天平本体20采用中心通气的杆式六分量天平结构，直径为Ф35mm，轴向力元件采用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑粱。采用这种轴向力元件结构，轴向力元测量的灵敏度相对较高，其他元对轴向力元测量的干扰较小，并且温度效应相对较低；通过优化T型梁和支撑梁结构尺寸，获取较大的应变—变形比，提高整体刚度。此外，为减小支撑梁端部与本体连接部位的应力值，改变了常规支撑梁相对天平轴线等高的布置方式，而采用阶梯式布置方式，可减小局部应力集中、提高安全系数与整体刚度；内天平组件8的 QUOTE 、 QUOTE 、 QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE 分量采用三柱矩形柱典型结构，对称布置于轴向力元件两端；在保证天平整体刚度的条件下，通过优化三柱粱结构尺寸，尽量增大天平横侧向的 QUOTE 、 QUOTE 和 QUOTE 分量以及 QUOTE 的应变信号输出；内天平组件8的前后锥装配面与测量梁中间设置过渡段，以减小装配应力影响。

内天平组件8中波纹管21采用与天平本体20相同材料加工，通气管22采用不锈钢材料，通过结构优化设计保证波纹管21强度、减小对内天平组件8轴向力测量灵敏度的影响；堵头23采用铜合金材料加工，用于防止天平本体20前端漏气；波纹管21、通气管22和堵头23内置于天平本体20中空的通孔内，与天平本体20共同组成气浮轴承的部分通气回路；波纹管21、通气管22和天平本体20之间，连接部位均需采用焊接或胶封等措施，保证其气密性。

图6为外天平14的结构示意图，采用中空的轮辐式结构，包括内环24、外环25、T型结构26和矩形柱27。内环24为固定端，通过1:5配合锥面与内天平组件8连接；外环25为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉19形成小间隙配合，M5带销螺钉19与浮动外轴12固定连接；T型结构26为滚转力矩测量的敏感元件，内环24与外环25之间通过4个均布的T型结构26连接；与内环24固定连接的4个均布的矩形柱27、外环25内侧4个均布的矩形凹槽之间小间隙配合，构成外天平14的防过载保护结构。

当浮动外轴12与外轴套11之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉19驱动外天平14的外环25进行转动，使得内环24和外环25之间的T型结构26产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩。当受到较大的滚转力矩时，浮动外轴12与外轴套11之间产生较大的相对转动，矩形柱27与外环25内侧对应的矩形凹槽产生碰触，对外天平14进行防过载保护。T型结构26上、下的多片梁结构主要用作支撑梁，使其能够承受较大的法向载荷和一定的侧向载荷，并尽可能削弱其滚转自由度刚度以满足滚转灵敏度设计要求。经计算分析，滚转力矩元件可以满足10^-2Nm量级滚转力矩测量需求。

这种气浮轴承支撑的气动力测量装置，采用内、外天平嵌套组合的测量方法实现；根据测量载荷匹配特点和天平结构约束条件，将不同的测量分量分布在内、外天平上；在保证其他五分量气动力测量精度的同时，能够大幅提高滚转力矩分量的测量灵敏度和精准度；具备结构简单、体积小、整体刚度高等特点，适用于小不对称再入体六分量气动力测量的高超声速风洞试验。这种由分立天平元件嵌套组合的气动力测量装置，能够适应试验要求、降低加工难度，尤其是可控制其他大载荷分量对小滚转力矩的测量干扰、提高测量精准度，对其他小滚转力矩测量类的高超声速风洞试验也具有重要意义。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述装置包括尾支杆（1）、气浮轴承支撑装置（2）、模型后段（3）、模型前段（4）、平键（5）、M6带销螺钉（6）、正反拉紧螺母（7）和内天平组件（8）；尾支杆（1）后端与风洞试验段内模型机构固定连接，尾支杆（1）前端与气浮轴承支撑装置（2）中内天平组件（8）通过1:5锥面、平键（5）和正反拉紧螺母（7）固定连接；气浮轴承支撑装置（2）与模型后段（3）之间采用1:10锥面连接，通过M6带销螺钉（6）定位、紧固；模型后段（3）与模型前段（4）通过螺纹固定连接；

所述的气浮轴承支撑装置（2）是小不对称再入体气动力测量装置的主要部件，包括内天平组件（8）、后端盖（9）、内轴套（10）、外轴套（11）、浮动外轴（12）、前端盖（13）、外天平（14）、平垫（15）、弹性垫片（16）、外六角头螺栓（17）、内六角螺钉（18）和M5带销螺钉（19）；内轴套（10）与外轴套（11）过盈配合组成带有空气回路的固定内轴；内天平组件（8）与内轴套（10）之间采用1:5锥面连接，通过外六角头螺栓（17）、弹性垫片（16）和平垫（15）紧固；内天平组件（8）与外天平（14）的内环（24）之间通过外六角头螺栓（17）、弹性垫片（16）和平垫（15）连接紧固，保证连接可靠；外天平（14）的外环（25）与浮动外轴（12）之间通过M5带销螺钉（19）实现小间隙配合；前端盖（13）、后端盖（9）通过内六角螺钉（18）与外轴套（11）固定连接，浮动外轴（12）与前端盖（13）、后端盖（9）和外轴套（11）之间形成气隙，浮动外轴（12）与外轴套（11）之间可实现滚转摩擦阻尼小于10^-4Nm量级的相对转动；浮动外轴（12）与外轴套（11）之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉（19）驱动外天平（14）的外环（25）产生转动，使得外天平（14）的内环（24）和外环（25）之间产生变形，测量变形输出即可得到滚转力矩。

2.根据权利要求1所述的一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的气浮轴承支撑装置（2）与模型连接位置处于模型的中后部。

3.根据权利要求1所述的一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的内天平组件（8）包括天平本体（20）、波纹管（21）、通气管（22）和堵头（23）；天平本体（20）采用中心通气的杆式六分量天平结构，直径为Ф35mm，轴向力元件采用T形梁结构，置于天平力矩中心位置，并相对于天平力矩中心在T形梁结构两侧布置支撑梁；内天平组件（8）的dest_path_image002、dest_path_image004、dest_path_image006、dest_path_image008和dest_path_image010分量采用三柱矩形柱典型结构测量，对称布置于轴向力元件两端，尽量增大天平横侧向的72842dest_path_image006、989982dest_path_image008、205938dest_path_image010分量以及601147dest_path_image004分量的应变信号输出；内天平组件（8）的前后锥装配面与测量梁之间设置过渡段，以减小装配应力影响。

4.根据权利要求1所述的一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的内天平组件（8）中的波纹管（21）采用与天平本体（20）相同的材料加工，通气管（22）采用不锈钢材料，通过结构优化设计保证波纹管（21）的强度、减小对内天平组件（8）轴向力测量灵敏度的影响；堵头（23）采用铜合金材料加工，防止天平本体（20）前端漏气；波纹管（21）、通气管（22）和堵头（23）内置于天平本体（20）中空的通孔内，与天平本体（20）共同组成气浮轴承的部分通气回路；波纹管（21）、通气管（22）和天平本体（20）之间，连接部位均需采用焊接或胶封等措施。

5.根据权利要求1所述的一种气浮轴承支撑的小不对称再入体气动力测量装置，其特征在于：所述的外天平（14）采用中空的轮辐式结构，包括内环（24）、外环（25）、T型结构（26）和矩形柱（27）；内环（24）为固定端，通过1:5配合锥面与内天平组件（8）连接；外环（25）为直径Ф70mm的法兰盘，与4个M5带销螺钉（19）小间隙配合，M5带销螺钉（19）与浮动外轴（12）固定连接；T型结构（26）为滚转力矩测量的敏感元件，内环（24）与外环（25）之间通过4个均布的T型结构（26）连接；与内环（24）固定连接的4个均布的矩形柱（27）、外环（25）内侧的4个均布的矩形凹槽之间小间隙配合，构成外天平（14）的防过载保护结构；

所述的浮动外轴（12）与外轴套（11）之间产生较小的相对转动时，通过M5带销螺钉（19）驱动外天平（14）的外环（25）进行转动，使得内环（24）与外环（25）之间的T型结构（26）产生变形，通过测量变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，浮动外轴（12）与外轴套（11）之间产生较大的相对转动，矩形柱（27）与外环（25）内侧对应的矩形凹槽产生碰触，对外天平（14）进行防过载保护。