CN106644365B - 一种低速风洞推力矢量天平校准装置 - Google Patents

Abstract

一种低速风洞推力矢量天平校准装置，包括外加载套筒(3)、连接锥套(4)、通气外管(11)、阀门(6)、o型圈(14)、推力矢量天平密封管路(30)、连接结构(23)；所述的推力矢量天平密封管路(30)包括通气直管(12)、波纹管(8)、通气套管(10)、密封罩(7)、小喷嘴(13)，推力矢量天平密封管路(30)各连接部件之间保证密封；本发明可以实现充气校准，模拟天平的实际工作状态，修正波纹管的存在对推力矢量天平的影响，使天平测量精度提高。

Description

一种低速风洞推力矢量天平校准装置

技术领域

本发明是一种用于风洞中推力矢量试验的天平校准装置，属于航空航天气动力试验结构技术领域。

背景技术

风洞天平校准包括静态校准与动态校准两部分，静校是在天平校准设备上进行，动校是在风洞中进行。风洞天平静校是在天平校准设备上，按已知的坐标轴系模拟天平在风洞实验时的受力状态，对天平精确的施加静态载荷，求得天平各分量的输出信号与校准载荷的变化关系，即天平校准公式，以便在风洞实验中，根据天平各分量的输出信号，求得作用在模型上的空气动力载荷。

推力矢量天平是用于测量带喷流飞行器模型上喷管喷流转向后产生的推力与力矩。由于引气和密封的需要，在矢量喷管测量系统的输气管路与推力矢量天平之间安装了两个波纹管，该波纹管的存在给天平带来了附加力和附加力矩，并且该力和力矩随波纹管所承受的压力而变化。这种附加力和力矩的存在使天平测量值与试验真实值之间有较大的差异。为了得到试验的真实值，必须对带波纹管的推力矢量天平进行静校，常规的风洞天平校准设备并不能正确模拟推力矢量特种试验用的天平的工作状态。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种低速风洞推力矢量天平校准装置。

本发明的技术解决方案：一种低速风洞推力矢量天平校准装置，其特征在于：外加载套筒、连接锥套、通气外管、阀门、o型圈、推力矢量天平密封管路、连接结构；所述的推力矢量天平密封管路包括通气直管、波纹管、通气套管、密封罩、小喷嘴，推力矢量天平密封管路各连接部件之间保证密封；

通气直管前端通过连接结构与校准台架固连，推力矢量天平的引线通过连接结构引出，并通过连接结构对通气直管前端进行密封；通气直管周向均布通气孔，通气直管的后端连接推力矢量天平的固定端，波纹管套在通气直管的外部，通气套管套在波纹管的外部，波纹管、通气套管上周向均布通气孔，且该通气孔的位置与通气直管位置一致，通过小喷嘴将同一位置的通气孔连通，波纹管、通气套管的前端与通气外管固连，波纹管的后端连接推力矢量天平的浮动端且与通气套管的后端固连，密封罩套接在波纹管的后端，并对推力矢量天平密封管路密封。通气外管与外加载套筒之间通过连接锥套固连，并通过o型圈将推力矢量天平密封管路密封；通气外管上安装阀门，通过控制阀门的开关保证通气直管空腔以及通气套管与通气外管之间的空腔压力保持在预设的压力下，进而对推力矢量天平进行校准。

还包括引出线管，引出线管的一端设置在推力矢量天平的固定端，另一端与连接结构固连，两端保证密封，引出线管空腔内不能有压缩空气进入。

所述的引出线管的外径在保证走线的基础上尽可能的小。

还包括过渡段，通过过渡段固定和密封引出线管的出线端，将推力矢量天平的引线引出；并保证通气直管前端密封，过渡段再与连接结构固连。

所述的连接结构形状与校准台架接口形式一致，保证可靠固连。

还包括退锥螺栓，通气外管通过外锥与连接锥套配合，退锥螺栓包括螺纹段和光轴段，退锥螺栓螺纹段与连接锥套螺接，退锥螺栓的光轴段穿过连接锥套螺纹孔，保证退锥螺栓的光轴段前端面与所述的外锥端面之间留有缝隙，该缝隙要小于退锥螺栓的旋进距离；拉紧螺栓穿过退锥螺栓的中心孔并与所述的外锥螺接。

所述的退锥螺栓中心孔的直径大于拉紧螺栓的大径。

所述的退锥螺栓光轴段直径小于螺纹段直径并且光轴段直径不大于所述的外锥小径；退锥螺栓的螺纹段不能与所述的外锥接触上，保证向左旋紧退锥螺栓时，光轴段前端面接触上所述的外锥端面，继续向左旋紧退锥螺栓，将连接锥套松开。

所述波纹管包括三个刚性段和两个柔性段；其中一个刚性段位于波纹管的前端，用于与通气套管连接，中间刚性段上设置通气孔，后端的刚性段用于连接推力矢量天平的浮动端且与通气套管的后端，相邻刚性段之间通过柔性段连接，波纹管与通气套管之间设置缝隙，所述的缝隙从第一个柔性段开始至第二个柔性段之后结束；第一个刚性段、第一个柔性段与通气直管之间设置缝隙；第二柔性段、第三刚性段与通气直管之间设置缝隙。

小喷嘴与波纹管上的通气孔之间固连，且小喷嘴的外径小于通气套管通气孔的直径。所述的校准通过在外加载套筒上布置八个加载点，模拟喷流作用到推力矢量天平上的三个力和三个力矩；在外加载套筒上以加载坐标系原点O为对称中心的四个位置施加力，分别用于模拟升力Y、俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；在外加载套筒上+Z方向且相对YOZ平面对称分布的两个加载点上施加力用于模拟侧向力+Z和偏航力矩My；在外加载套筒的原点且指向-Z方向设置加载点用于模拟负侧向力；在外加载套筒的原点且指向+X方向设置加载点用于模拟轴向力X；所述的加载坐标系的原点O为推力矢量天平设计中心，Y向竖直向下为正，X向水平指向连接锥套一侧为正，Z向符合右手定则。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)将推力矢量天平直接安装在喷流管路内部测量喷流反作用力，减小了数据处理时大量减大量的测量误差，但通气压力会对天平产生一定影响，如果使用单独天平校准公式，由于没有正确模拟天平的工作状态，使得测量数据失真。本装置通过将天平带压力校准，模拟天平的实际工作状态，求得天平在设定压力状态下的天平公式，提高数据测量精度；

(2)可以实现充气校准，模拟天平的实际工作状态，修正波纹管的存在对推力矢量天平的影响，使天平测量精度提高。

(3)通过8个加载点的不同组合可以实现六分量多元校准，得到天平各分量之间的干扰，提高天平测量精度。

(4)装置上安装阀门可以保证校准时的需要的不同的压力值，实现各压力值下的充气校准，得到不同压力状态下天平的工作公式，提高天平测量精度。

(5)推力矢量天平信号线通过中心通气支杆内设置的导线导管引到模型外，这种引线方式将有效降低信号线对测力系统的干扰。

(6)在中心通气支杆后端两个布置通气孔径向截面的两侧各设有一个波纹管具有良好的密封作用，使从通气支杆过来的高压气体不进入模型内腔，同时将供气管路与测量管路断开，使推力矢量天平准确测得喷流的反作用力。

附图说明

图1为校准装置结构示意图；

图2为校准装置加载点示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如附图1所示该装置包含外加载套筒3、连接锥套4、退锥螺栓2、通气外管11、标准阀门6、推力矢量天平密封管路30、拉紧螺栓1、过渡段19、连接结构23等。

推力矢量天平密封管路30包括通气直管12、波纹管8、通气套管10、推力矢量天平9、密封罩7、引线管16、小喷嘴13等。在推力矢量天平密封管路30与过渡段19之间用键18定位。推力矢量天平密封管路30是风洞试验时安装在模型内部通气管路上的一部分，推力矢量天平用于测量喷流时，喷管偏转产生的力和力矩。

推力矢量天平密封管路30的一端通气套管10与通气外管11通过螺栓固定连接，为了保证连接处的密封，在通气外管11与通气套管10之间加装o型密封圈14，推力矢量天平密封管路30另一端的通气直管12先与过渡段19用螺栓17固定连接。过渡段19中心开孔，以便将引线管16从推力矢量天平管路内引出，引线管10上用胶固定一个连接块28，通过四个螺钉26将引线管16固定在过渡段上19。连接块28与过渡段19之间有密封垫片27保证密封。连接结构23与过渡段19通过孔轴配合，用螺栓21连接，并在连接处用o型圈25密封。连接结构23沿径向开孔，将天平线从引线管16引出。这样既引出了天平线，又保证了管路的密封。

推力矢量天平密封管路30与通气外管11及连接结构23固定连接为一整体部件后，一端通过连接结构23外锥面与试验室校准台架24内锥面通过楔键22拉紧固定，另一端通过连接锥套4连接，并通过拉紧螺栓1拉紧。外加载套筒3与连接锥套4通过径向四个锥销29固定。连接锥套4上预先安装一个退锥螺栓2，用以拆卸外加载套筒3。

外加载套筒3安装后，将阀门6一端与外加载套筒3上的通气孔柱5通过螺纹连接，阀门6另一端连接压缩空气管路，阀门6开启时，将压缩空气引入推力矢量天平密封管路，达到要求的压力值后阀门6关闭，保持管路内的压力加载。

如附图2所示外加载套筒3上布置了八个加载点，加载力矩中心为推力矢量天平设计中心。加载坐标系如图1所示，Y向竖直向下为正，X向水平指向连接锥套一侧为正，Z向符合右手定则。1、2、3、4加载点对称分布在外加载套筒四个边角上，1(3)、2(4)加载点间距为Lmx，1(2)、3(4)加载点间距为Lmz。由1、2、3、4加载点可得到升力Fy、俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx。5、6加载点对称分布在外加载套筒上+Z方向，5、6加载点间距为Lmy。由5、6加载点可得到侧向力+Fz和偏航力矩My。7加载点分布在外加载套筒的力矩中心位置，指向-Z方向，加载负侧向力-Fz。8加载点沿轴向布置，与推力矢量天平X轴重合，由8加载点得到轴向力Fx。三个方向的力和力矩加载载荷分别用公式表示如下：

Fx＝Load8；(Load8表示8加载点的砝码质量，单位是kg，以下类同)

Fy＝Load1+Load2+Load3+Load4；(加载点1和2和3和4砝码质量之和得到升力Fy，单位kg)

+Fz＝Load5+Load6；

-Fz＝Load7；

Mx＝[(Load1+Load3)-(Load2+Load4)]×0.5Lmx；(1和3加载点砝码质量之和减掉2和4砝码质量之和乘以1和3加载点力臂的一半得到滚转力矩Mx，单位是kg·m，以下类同)

My＝(Load5-Load6)×0.5Lmy；

Mz＝[(Load1+Load2)-(Load3+Load4)]×0.5Lmz；

不同压力状态通气校准时，根据编制的正交载荷表对推力矢量天平加载，得到天平各分量的输出，将这些输出信号采集并数据处理得到天平的使用公式。一台六分量天平，其各分量的输出信号是六个欲测载荷分量的函数。天平的输出公式形式为：

式中：F_i─天平第i个分量的载荷测值(i＝1～6)，N(或N·m)；

a_i─第i个分量的主系数；N(或N·m)/mv；

△u_i─第i个分量的输出信号增量值；mv；

─其它分量载荷对第i分量的一阶干扰修正系数，N(或N·m)/mv；

△u_j、△u_k─第j、k个分量信号输出增量值，mv；

-各分量载荷对第i个分量的二阶平方项干扰修正系数(j＝k时)和交叉干扰修正系数(j≠k时)；N(Nm)/mv²；

由于校准时模拟了带波纹管管路的通气状态，天平的使用公式更真实反映试验时的状态，使得试验结果更接近真实值，提高测量精度。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种低速风洞推力矢量天平校准装置，其特征在于：包括外加载套筒(3)、连接锥套(4)、通气外管(11)、阀门(6)、o型圈(14)、推力矢量天平密封管路(30)、连接结构(23)；所述的推力矢量天平密封管路(30)包括通气直管(12)、波纹管(8)、通气套管(10)、密封罩(7)、小喷嘴(13)，推力矢量天平密封管路(30)各连接部件之间保证密封；

通气直管(12)前端通过连接结构(23)与校准台架(24)固连，推力矢量天平(9)的引线通过连接结构(23)引出，并通过连接结构(23)对通气直管(12)前端进行密封；通气直管(12)周向均布通气孔，通气直管(12)的后端连接推力矢量天平(9)的固定端，波纹管(8)套在通气直管(12)的外部，通气套管(10)套在波纹管(8)的外部，波纹管(8)、通气套管(10)上周向均布通气孔，且该通气孔的位置与通气直管(12)位置一致，通过小喷嘴(13)将同一位置的通气孔连通，波纹管(8)、通气套管(10)的前端与通气外管(11)固连，并通过o型圈(14)将推力矢量天平密封管路(30)密封；波纹管(8)的后端连接推力矢量天平(9)的浮动端且与通气套管(10)的后端固连，密封罩(7)套接在波纹管(8)的后端，并对推力矢量天平密封管路(30)密封；通气外管(11)与外加载套筒(3)之间通过连接锥套(4)固连，通气外管(11)上安装阀门(6)，通过控制阀门的开关保证通气直管(12)空腔以及通气套管(10)与通气外管(11)之间的空腔压力保持在预设的压力下，进而对推力矢量天平(9)进行校准。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括引出线管(16)，引出线管(16)的一端设置在推力矢量天平的固定端，另一端与连接结构(23)固连，两端保证密封，引出线管(16)空腔内不能有压缩空气进入。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的引出线管(16)的外径在保证走线的基础上尽可能的小。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括过渡段(19)，通过过渡段(19)固定和密封引出线管(16)的出线端，将推力矢量天平(9)的引线引出；并保证通气直管(12)前端密封，过渡段(19)再与连接结构(23)固连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括退锥螺栓(2)，通气外管(11)通过外锥与连接锥套(4)配合，退锥螺栓(2)包括螺纹段和光轴段，退锥螺栓(2)螺纹段与连接锥套(4)螺接，退锥螺栓(2)的光轴段穿过连接锥套螺纹孔，保证退锥螺栓(2)的光轴段前端面与所述的外锥端面之间留有缝隙，该缝隙要小于退锥螺栓(2)的旋进距离；拉紧螺栓(1)穿过退锥螺栓(2)的中心孔并与所述的外锥螺接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的退锥螺栓(2)中心孔的直径大于拉紧螺栓(1)的大径。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的退锥螺栓(2)光轴段直径小于螺纹段直径并且光轴段直径不大于所述的外锥小径；退锥螺栓(2)的螺纹段不能与所述的外锥接触上，保证向左旋紧退锥螺栓(2)时，光轴段前端面接触上所述的外锥端面，继续向左旋紧退锥螺栓(2)，将连接锥套(4)松开。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述波纹管(8)包括三个刚性段和两个柔性段；其中一个刚性段位于波纹管的前端，用于与通气套管(10)连接，中间刚性段上设置通气孔，后端的刚性段用于连接推力矢量天平(9)的浮动端且与通气套管(10)的后端固连，相邻刚性段之间通过柔性段连接，波纹管(8)与通气套管(10)之间设置缝隙，所述的缝隙从第一个柔性段开始至第二个柔性段之后结束；第一个刚性段、第一个柔性段与通气直管(12)之间设置缝隙；第二柔性段、第三刚性段与通气直管(12)之间设置缝隙。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：小喷嘴(13)与波纹管(8)上的通气孔之间固连，且小喷嘴(13)的外径小于通气套管(10)通气孔的直径。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的校准通过在外加载套筒(3)上布置八个加载点，模拟喷流作用到推力矢量天平上的三个力和三个力矩；在外加载套筒上以加载坐标系原点O为对称中心的四个位置施加力，分别用于模拟升力Y、俯仰力矩Mz和滚转力矩Mx；在外加载套筒上+Z方向且相对YOZ平面对称分布的两个加载点上施加力用于模拟侧向力+Z和偏航力矩My；在外加载套筒的原点O且指向-Z方向设置加载点用于模拟负侧向力；在外加载套筒的原点O且指向+X方向设置加载点用于模拟轴向力X；

所述的加载坐标系的原点O为推力矢量天平设计中心，Y向竖直向下为正，X向水平指向连接锥套一侧为正，Z向符合右手定则。