CN106644377A - 水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法，装置包括全机无动力模型、水动力高速试验拖车系统、适航仪、牵引装置、滑动装置、传感器系统、试验数据采集系统、载荷模拟系统。将全机无动力模型通过滑动装置安装在水动力高速试验拖车系统下方的适航仪上，该滑动装置保证全机动力模型能在一定范围内上下以及沿适航仪前后自由运动，滑动装置与全机无动力模型重心位置处活动连接，全机无动力模型能绕重心位置点自由俯仰转动。本发明首次公开提出了水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法，该方法实用、可行、操作简单，试验结果可靠，适用范围广，促进了我国水面飞机的研制。
Description
技术领域
本发明涉及水面飞行器水池试验技术领域，具体为一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法。
背景技术
水面飞行器抗浪能力大小直接影响水面飞行器在使用中安全性、舒适性与使用范围。在初步设计阶段为验证水面飞行器抗浪能力，目前主要通过水面飞行器抗浪能力的水池缩比模型试验，该模型试验可分为水面飞行器抗浪能力的全机带动力模型水池试验和水面飞行器抗浪能力的全机无动力模型水池试验。
由于在全机带动力模型水池试验试验中处于大波高状态下的高速旋转螺旋桨有可能受到喷溅的冲击而发生损坏，甚至有可能危及试验人员的安全性，因而在全机带动力模型水池试验中限制了选择更大波高的可能性，导致难以在全机带动力模型水池试验中进行高海况下的抗浪能力试验，这样造成在高海况下实机抗浪能力预报结果与实机结果存在较大差异。
全机无动力模型水池试验可开展更大波高的波浪试验来弥补全机带动力模型水池试验的不足，由此能够更准确地预报水面飞行器的实机抗浪能力，以及更好地验证水面飞行器抗浪能力设计。目前还未有一种实用的水面飞行器抗浪能力的全机无动力模型水池试验装置及方法公开。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法。
本发明的技术方案为：
所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：包括全机无动力模型(1)、水动力高速试验拖车系统(12)、适航仪(8)、牵引装置(9)、滑动装置、传感器系统、试验数据采集系统(18)、载荷模拟系统；
所述全机无动力模型(1)通过滑动装置安装在水动力高速试验拖车系统(12)下方的适航仪(8)上；所述滑动装置与全机无动力模型(1)重心处铰接，全机无动力模型(1)能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动全机无动力模型(1)在一定范围内上下以及沿适航仪(8)前后自由运动；
所述牵引装置(9)安装在适航仪(8)上，水动力高速试验拖车系统(12)通过牵引装置(9)牵引滑动装置，进而带动全机无动力模型(1)往前运动；
所述载荷模拟系统模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，以及螺旋桨拉力产生的低头力矩；
所述传感器系统包括艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)；拉线式位移传感器(19)安装在水动力高速试验拖车系统(12)内，并与滑动装置连接；艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)和艉部过载传感器(17)安装在全机无动力模型(1)中；
所述试验数据采集系统(18)安装在水动力高速试验拖车系统(12)内，并通过数据传输线缆与艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)相连。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：全机无动力模型(1)前端带有导航片(3)，水动力高速试验拖车系统(12)底部安装有导航杆(4)，导航片(3)与导航杆(4)配合用于防止试验过程中全机无动力模型(1)产生偏航。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：试验装置还包括拽拉装置(11)；所述拽拉装置(11)安装在适航仪(8)上，拽拉装置(11)连接滑动装置，用于防止全机无动力模型(1)受波浪作用向前窜动。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述滑动装置包括小滑车(5)、升沉杆(6)和重心支杆(7)，小滑车(5)安装在适航仪(8)上；小滑车(5)与升沉杆(6)在水平方向固定约束，在垂直方向自由移动；重心支杆(7)固定安装在升沉杆(6)下方，重心支杆(7)外端与全机无动力模型(1)重心处铰接。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：试验装置还包括录像系统；录像系统由录像机(2)、录像机控制系统(13)和录像机固定支架(10)组成；录像机固定支架(10)将录像机(2)安装在水动力高速试验拖车系统(12)下方，并处于全机无动力模型(1)的前方，从录像机(2)中能观察全机无动力模型(1)在试验过程中的运动情况；录像机控制系统(13)控制录像机(2)的打开与关闭，以及录像控制。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述牵引装置(9)和拽拉装置(11)均是由弹簧与钢索组成，所述弹簧具有初始拉力。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述载荷模拟系统分为前卸载装置(23)和后卸载装置(24)，前卸载装置(23)连接滑动装置，模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，后卸载装置(24)连接全机无动力模型(1)重心后部位置，模拟螺旋桨拉力产生的低头力矩。
所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试；
步骤2：记录试验前全机无动力模型(1)重量、重心、艏艉处吃水以及水温参数，并根据艏艉处吃水的差值计算全机无动力模型(1)纵倾角；将试验数据采集系统(18)中艏部过载传感器(14)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)的测量初始值设置为零，并将惯性测量单元(15)的纵倾角测量初始值设置为由艏艉处吃水差值计算的纵倾角值；
步骤3：调整载荷模拟系统，使模拟载荷达到试验要求值，水池造波系统制造波浪，而后开始试验；试验过程中，水动力高速试验拖车系统(12)带动在水面上的全机无动力模型(1)以同一速度运动，当水动力高速试验拖车系统(12)加速达到试验要求的运行速度后，将水动力高速试验拖车系统(12)运行速度稳定在试验要求的运行速度，记录拖车速度、全机无动力模型襟翼偏转角度和升降舵偏转角度，试验数据采集系统(18)实时采集惯性测量单元(15)测量的纵倾角数据，拉线式位移传感器(19)测量的模型重心处的升沉数据以及艏部过载传感器(14)、舯部过载传感器(16)和艉部过载传感器(17)测量的过载数据；
步骤4：试验结束后，得到不同试验状态下的全机无动力模型(1)纵倾角，重心升沉，以及艏、舯、艉部过载变化曲线，剔除试验野值后，得到不同试验状态下，全机无动力模型(1)纵倾角幅值，重心升沉幅值，以及艏、舯、艉部过载幅值，并依次预报实机抗浪能力。
进一步的优选方案，所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验方法，其特征在于：步骤3试验过程中，对全机无动力模型(1)运动情况进行录像。
有益效果
本发明首次公开提出了水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法，该方法实用、可行、操作简单，试验结果可靠，适用范围广，促进了我国水面飞机的研制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明的结构示意图。
其中：1、全机无动力模型；2、录像机；3、导航片；4、导航杆；5、小滑车；6、升沉杆；7、重心支杆；8、适航仪；9、牵引装置；10、录像机固定支架；11、拽拉装置；12、水动力高速试验拖车系统；13、录像机控制系统；14、艏部过载传感器；15、惯性测量单元；16、舯部过载传感器；17、艉部过载传感器；18、试验数据采集系统；19、拉线式位移传感器；20、滑轮；21、钢索；22、卸载配重块；23、前卸载装置；24、后卸载装置。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的是提出一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置及方法。
如图1所示，水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，包括全机无动力模型1、水动力高速试验拖车系统12、适航仪8、牵引装置9、滑动装置、传感器系统、试验数据采集系统18、载荷模拟系统。
所述全机无动力模型1通过滑动装置安装在水动力高速试验拖车系统12下方的适航仪8上；所述滑动装置与全机无动力模型1重心处铰接，全机无动力模型1能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动全机无动力模型1在一定范围内上下以及沿适航仪8前后自由运动。
如图1所示，所述滑动装置包括小滑车5、升沉杆6和重心支杆7，小滑车5安装在适航仪8上；小滑车5与升沉杆6在水平方向固定约束，在垂直方向自由移动；重心支杆7固定安装在升沉杆6下方，重心支杆7外端与全机无动力模型1重心处铰接。
全机无动力模型1前端带有导航片3，水动力高速试验拖车系统12底部安装有导航杆4，导航片3与导航杆4配合用于防止试验过程中全机无动力模型1产生偏航。
所述牵引装置9安装在适航仪8上，水动力高速试验拖车系统12通过牵引装置9牵引滑动装置，进而带动全机无动力模型1往前运动。试验装置还包括拽拉装置11；所述拽拉装置11也安装在适航仪8上，拽拉装置11连接滑动装置，用于防止全机无动力模型1受波浪作用向前窜动。具体本实施例而言，牵引装置9和拽拉装置11安装在滑动装置的小滑车5前后，并与小滑车5固定连接，所述牵引装置9和拽拉装置11均是由弹簧与钢索组成，所述弹簧具有初始拉力，当全机无动力模型1受波浪作用出现前、后窜动时，弹簧能迅速给模型施加一个反向力，使模型在安装位置周围的一小段范围内前后运动。
所述载荷模拟系统模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，以及螺旋桨拉力产生的低头力矩。具体本实施例而言，所述载荷模拟系统分为前卸载装置23和后卸载装置24，前卸载装置23连接滑动装置中升沉杆顶端，模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，后卸载装置24连接全机无动力模型1重心后部位置，模拟螺旋桨拉力产生的低头力矩。前卸载装置23和后卸载装置24均由滑轮、钢索和卸载配重块组成。
所述传感器系统包括艏部过载传感器14、惯性测量单元15、舯部过载传感器16、艉部过载传感器17和拉线式位移传感器19；拉线式位移传感器19安装在水动力高速试验拖车系统12内，并与滑动装置的升沉杆顶端连接；艏部过载传感器14、惯性测量单元15、舯部过载传感器16和艉部过载传感器17安装在全机无动力模型1中。
所述试验数据采集系统18安装在水动力高速试验拖车系统12内，并通过数据传输线缆与艏部过载传感器14、惯性测量单元15、舯部过载传感器16、艉部过载传感器17和拉线式位移传感器19相连。
本实施例中的试验装置还包括录像系统；录像系统由录像机2、录像机控制系统13和录像机固定支架10组成；录像机固定支架10将录像机2安装在水动力高速试验拖车系统12下方，并处于全机无动力模型1的前方，保证录像机2在试验过程中不发生明显颤动，从录像机2中能观察全机无动力模型1在试验过程中的运动情况，这样当模型出现异常运动情况，试验人员可判断是否需要停止试验以保证试验安全；录像机控制系统13控制录像机2的打开与关闭，以及录像控制。
依据上述对试验装置的描述，本领域技术人员能够完成试验装置的安装和电气设备的连接，下面描述基于上述装置的水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验方法，包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试，其中全机无动力模型1下水后，重心纵向位置应保持不变，保证全机无动力模型无明显横倾，同时记录全机无动力模型艏艉两处吃水，其读数应与该状态下理论计算值保持一致。
步骤2：记录试验前全机无动力模型1重量、重心、艏艉处吃水以及水温参数，并根据艏艉处吃水的差值计算全机无动力模型1纵倾角；将试验数据采集系统18中艏部过载传感器14、舯部过载传感器16、艉部过载传感器17和拉线式位移传感器19的测量初始值设置为零，并将惯性测量单元15的纵倾角测量初始值设置为由艏艉处吃水差值计算的纵倾角值。
步骤3：调整载荷模拟系统，使模拟载荷达到试验要求值，本实施例中即调整卸载配重块的重量至试验值；水池造波系统制造波浪，而后开始试验。试验过程中，水动力高速试验拖车系统12带动在水面上的全机无动力模型1以同一速度运动，当水动力高速试验拖车系统12加速达到试验要求的运行速度后，将水动力高速试验拖车系统12运行速度稳定在试验要求的运行速度，记录拖车速度、全机无动力模型襟翼偏转角度和升降舵偏转角度，同时对全机无动力模型1运动情况进行录像，并在每次试验结束后，记录各录像机中本次录像对应时间轴位置。试验数据采集系统18实时采集惯性测量单元15测量的纵倾角数据，拉线式位移传感器19测量的模型重心处的升沉数据以及艏部过载传感器14、舯部过载传感器16和艉部过载传感器17测量的过载数据。
步骤4：试验结束后，得到不同试验状态下的全机无动力模型1纵倾角，重心升沉，以及艏、舯、艉部过载变化曲线，剔除试验野值后，得到不同试验状态下，全机无动力模型1纵倾角幅值，重心升沉幅值，以及艏、舯、艉部过载幅值，并依次预报实机抗浪能力。
本发明的试验原理如下：
在全机无动力模型试验中主要根据模型在波浪中的运动情况，分析全机无动力模型纵倾角幅值、重心升沉幅值和艏、舯、艉部过载的幅值，由此预报实机的抗浪能力。因而试验中由水动力高速试验拖车系统来控制模型的试验速度，由造波系统来制造所需的波浪。试验数据采集系统采集全机无动力模型在波浪运动中纵倾角、重心升沉和艏、舯、艉部过载变化，得到全机无动力模型纵倾角幅值、重心升沉幅值和艏、舯、艉部过载的幅值。
试验结果评定：
试验数据分析人员对纵倾角幅值、重心升沉幅值和艏、舯、艉部过载的幅值进行有效性判定，剔除失效数据(野值)。将纵倾角幅值、重心升沉幅值和艏、舯、艉部过载的幅值与预期的结果进行比对分析，初步判定结果的有效性和可靠性。对异常数据进行分析处理，给出处理结果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：包括全机无动力模型(1)、水动力高速试验拖车系统(12)、适航仪(8)、牵引装置(9)、滑动装置、传感器系统、试验数据采集系统(18)、载荷模拟系统；
所述全机无动力模型(1)通过滑动装置安装在水动力高速试验拖车系统(12)下方的适航仪(8)上；所述滑动装置与全机无动力模型(1)重心处铰接，全机无动力模型(1)能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动全机无动力模型(1)在一定范围内上下以及沿适航仪(8)前后自由运动；
所述牵引装置(9)安装在适航仪(8)上，水动力高速试验拖车系统(12)通过牵引装置(9)牵引滑动装置，进而带动全机无动力模型(1)往前运动；
所述载荷模拟系统模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，以及螺旋桨拉力产生的低头力矩；
所述传感器系统包括艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)；拉线式位移传感器(19)安装在水动力高速试验拖车系统(12)内，并与滑动装置连接；艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)和艉部过载传感器(17)安装在全机无动力模型(1)中；
所述试验数据采集系统(18)安装在水动力高速试验拖车系统(12)内，并通过数据传输线缆与艏部过载传感器(14)、惯性测量单元(15)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)相连。
2.根据权利要求1所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：全机无动力模型(1)前端带有导航片(3)，水动力高速试验拖车系统(12)底部安装有导航杆(4)，导航片(3)与导航杆(4)配合用于防止试验过程中全机无动力模型(1)产生偏航。
3.根据权利要求1或2所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：试验装置还包括拽拉装置(11)；所述拽拉装置(11)安装在适航仪(8)上，拽拉装置(11)连接滑动装置，用于防止全机无动力模型(1)受波浪作用向前窜动。
4.根据权利要求3所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述滑动装置包括小滑车(5)、升沉杆(6)和重心支杆(7)，小滑车(5)安装在适航仪(8)上；小滑车(5)与升沉杆(6)在水平方向固定约束，在垂直方向自由移动；重心支杆(7)固定安装在升沉杆(6)下方，重心支杆(7)外端与全机无动力模型(1)重心处铰接。
5.根据权利要求1所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：试验装置还包括录像系统；录像系统由录像机(2)、录像机控制系统(13)和录像机固定支架(10)组成；录像机固定支架(10)将录像机(2)安装在水动力高速试验拖车系统(12)下方，并处于全机无动力模型(1)的前方，从录像机(2)中能观察全机无动力模型(1)在试验过程中的运动情况；录像机控制系统(13)控制录像机(2)的打开与关闭，以及录像控制。
6.根据权利要求3所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述牵引装置(9)和拽拉装置(11)均是由弹簧与钢索组成，所述弹簧具有初始拉力。
7.根据权利要求1所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置，其特征在于：所述载荷模拟系统分为前卸载装置(23)和后卸载装置(24)，前卸载装置(23)连接滑动装置，模拟螺旋桨拉力的垂直分力和螺旋桨滑流的气动升力，后卸载装置(24)连接全机无动力模型(1)重心后部位置，模拟螺旋桨拉力产生的低头力矩。
8.一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试；所述试验装置为权利要求1所述的水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置；
步骤2：记录试验前全机无动力模型(1)重量、重心、艏艉处吃水以及水温参数，并根据艏艉处吃水的差值计算全机无动力模型(1)纵倾角；将试验数据采集系统(18)中艏部过载传感器(14)、舯部过载传感器(16)、艉部过载传感器(17)和拉线式位移传感器(19)的测量初始值设置为零，并将惯性测量单元(15)的纵倾角测量初始值设置为由艏艉处吃水差值计算的纵倾角值；
步骤3：调整载荷模拟系统，使模拟载荷达到试验要求值，水池造波系统制造波浪，而后开始试验；试验过程中，水动力高速试验拖车系统(12)带动在水面上的全机无动力模型(1)以同一速度运动，当水动力高速试验拖车系统(12)加速达到试验要求的运行速度后，将水动力高速试验拖车系统(12)运行速度稳定在试验要求的运行速度，记录拖车速度、全机无动力模型襟翼偏转角度和升降舵偏转角度，试验数据采集系统(18)实时采集惯性测量单元(15)测量的纵倾角数据，拉线式位移传感器(19)测量的模型重心处的升沉数据以及艏部过载传感器(14)、舯部过载传感器(16)和艉部过载传感器(17)测量的过载数据；
步骤4：试验结束后，得到不同试验状态下的全机无动力模型(1)纵倾角，重心升沉，以及艏、舯、艉部过载变化曲线，剔除试验野值后，得到不同试验状态下，全机无动力模型(1)纵倾角幅值，重心升沉幅值，以及艏、舯、艉部过载幅值，并依次预报实机抗浪能力。
9.根据权利要求8所述一种水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验方法，其特征在于：所述试验装置为权利要求5所述的水面飞行器抗浪能力全机无动力模型水池试验装置；步骤3试验过程中，对全机无动力模型(1)运动情况进行录像。
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