CN107966265B - 一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，油缸的后端和中轴的前端连接，支杆的后端和油缸的前端连接；油缸驱动杆沿着轴向做前后方向简谐运动；推杆随着油缸驱动杆沿着轴向做前后方向简谐运动；推轮杆沿着与轴向垂直的方向连接在推杆的前端，推轮杆的两端分别连接一个推轮，使得推轮沿着轴向做前后方向简谐运动；俯仰偏航铰链设置在支杆的前端，力矩梁转轴沿着与轴向垂直的方向连接在俯仰偏航铰链的后端，俯仰偏航力矩梁的前端与俯仰偏航铰链的前端连接，力矩梁转轴与俯仰偏航力矩梁连接，俯仰偏航力矩梁将推轮前后方向简谐运动转换为俯仰偏航力矩梁围绕力矩梁转轴的旋转简谐运动，并使得俯仰偏航铰链围绕力矩梁转轴做旋转简谐运动。

Description

一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置

技术领域

本发明涉及一种在高超声速风洞中通过小振幅强迫振动方法测量飞行器试验模型俯仰偏航方向动稳定导数风洞试验装置。

背景技术

在飞行器设计过程中，必须对其气动性能进行分析及综合设计。首先即需要了解飞行器在定常以及非定常飞行条件下的气动力及力矩特性。与此同时，还要能对飞行的稳定性给出预示。这要求气动力表述形式既能够给出六分量的气动力，还要能给出飞行稳定性的判据。在线性的气动力系统中，气动力和力矩的导数就是这样的判据。其中，气动力和力矩关于角位移的导数称为静导数，而气动力和力矩关于角速度的导数称为动导数。

动导数也称动稳定性导数，用来描述飞行器进行机动飞行和受到扰动时的气动特性。是飞行器气动性能设计、控制系统和总体设计中必不可少的气动参数。动稳定性导数对于飞行器设计师们来说是很重要的，因为这些导数能提供飞行器的自然稳定性、控制舵面效率和机动性能，另外这些导数也使得飞行器的几何特性在初步设计过程中呈现着特别重要的意义。

现代高超声速飞行器，例如美国上世纪90年代提出的‘全球快速打击计划’，目的一小时攻击全球任何一个地方，该计划的验证飞行器X-51A，X-51A的设计马赫数为6-6.5之间，其外形是面对称构型，其马赫数相对于现代军用飞机的5倍以上，这种面对称外形飞行器在高超声飞行时，横侧向以及纵向的交叉以及交叉耦合现象会变得很明显，要对这一特性进行描述就必须获得其交叉和交叉耦合动稳定导数。

目前风洞动稳定导数试验常用的方法是自由振动方法和强迫振动方法，测量作用于模型上的力和测量模型的运动参数，求其动稳定导数。由于自由振动方法只适用于做直接阻尼导数的测量，不能做交叉和交叉耦合导数的测量，并且也只能测量正阻尼导数的测量，为了较为全面的获得飞行器的动稳定导数，尤其是获得交叉、交叉耦合导数，多采用强迫振动试验方法。

强迫振动方法是使用激振器强迫模型在某一自由度下做固定频率以及振幅的简谐振动，通过应变天平测出模型在不同自由度产生的响应，通过数据处理进而求得动稳定导数。强迫振动试验装置主要由激振装置、测力天平、位移传感器、支杆等几部分组成，它们的功能是提供模型在风洞试验段内按一定要求的规律运动，并能测量其振动的幅值、频率以及作用在模型上的力。激振装置一般有电机-机械激振、电磁激振、液压激振几种方式。电机-机械激振方式受限于电机工作温度影响，一般电机工作温度不高于70℃，而高超声速风洞在马赫数大于6时试验段温度会高于这一工作温度。

获得飞行器动稳定导数对气动性能设计、控制系统和总体设计是非常重要的，在通过风洞试验获得飞行器动稳定导数显得尤为重要，因此需要一种强迫振动动导数试验装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：

提供一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，该装置通过油压驱动装置，驱动推杆前后运动，通过推轮把力和运动传递到力矩梁上，通过力矩梁驱动俯仰偏航铰链，使俯仰偏航铰链绕其旋转中心做简谐运动。铰链前端连接动态天平以及试验模型，动态天平测量试验模型做简谐运动时模型受力情况，通过同步测量模型气动力信号以及铰链角位移信号，进而通过数据处理得到相应的动稳定导数。

本发明的技术解决方案是：

提出一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，包括：俯仰偏航铰链、支杆、俯仰偏航力矩梁、力矩梁转轴、推杆、推轮杆、直线球轴承、套筒、限位块、油缸、中轴、推轮和油缸驱动杆；

油缸的后端和中轴的前端连接，支杆的后端和油缸的前端连接；

油缸驱动杆沿着轴向设置在油缸中，用于沿着轴向做前后方向简谐运动；

推杆沿着轴向设置在支杆的内部，推杆的下端与油缸驱动杆连接，推杆穿过直线球轴承和套筒，使得推杆随着油缸驱动杆沿着轴向做前后方向简谐运动；

限位块固定在支杆上，用于限制推杆的滚转自由度；

推轮杆沿着与轴向垂直的方向连接在推杆的前端，推轮杆的两端分别连接一个推轮，使得推轮沿着轴向做前后方向简谐运动；

俯仰偏航铰链设置在支杆的前端，力矩梁转轴沿着与轴向垂直的方向连接在俯仰偏航铰链的后端，俯仰偏航力矩梁的前端与俯仰偏航铰链的前端连接，力矩梁转轴与俯仰偏航力矩梁连接，俯仰偏航力矩梁将推轮的前后方向简谐运动转换为俯仰偏航力矩梁围绕力矩梁转轴的旋转简谐运动，并使得俯仰偏航铰链围绕力矩梁转轴做旋转简谐运动。

根据本发明的一个实施例，支杆的后端和油缸的前端通过锥面配合的方式连接。

根据本发明的一个实施例，推杆的下端与油缸驱动杆通过螺纹连接。

根据本发明的一个实施例，套筒通过套筒固定柱销固定在支杆的内部。

根据本发明的一个实施例，直线球轴承的数量为2个，通过锁紧螺母固定在支杆的内部。

根据本发明的一个实施例，推杆的中段设置有限位槽，限位块通过限位块固定螺钉固定在支杆上，并插入所述限位槽，以限制推杆的滚转自由度。

根据本发明的一个实施例，俯仰偏航力矩梁的前端通过俯仰偏航铰链连接螺钉和俯仰偏航铰链连接柱销与俯仰偏航铰链的前端连接。

根据本发明的一个实施例，力矩梁转轴通过力矩梁转轴固定螺钉与俯仰偏航力矩梁连接。

根据本发明的一个实施例，推轮杆的两端分别通过推轮固定螺钉连接一个推轮。

根据本发明的一个实施例，俯仰偏航力矩梁设置有两个方向相同的角度槽，两个推轮分别被设置在所述角度槽中，用于将推轮的前后方向简谐运动转换为俯仰偏航力矩梁围绕力矩梁转轴做旋转简谐运动。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)液压驱动系统相对于传统电机驱动方式可以承受较高温度，能够在高超声速风洞中承受较高流场温度。

(2)采用推杆方式前后运动相对传统电机--传动轴的转轴转动较少了振动量的干扰。

(3)相对于传统电机驱动方式机构，该试验装置振动振幅调节方便。

(4)采用液压驱动方式用于机构驱动相对于电机驱动方式可以有效的减小电磁信号对天平、位移元件信号采集的干扰。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的装配示意图；

图2为根据本发明的实施例的支杆示意图；

图3为根据本发明的实施例的俯仰偏航铰链示意图；

图4为根据本发明的实施例的俯仰偏航力矩梁示意图；

图5为根据本发明的实施例的推杆示意图；

图6为根据本发明的实施例的限位块示意图；

图7为根据本发明的实施例的推轮杆示意图；

图8为根据本发明的实施例的推轮示意图；

图9为根据本发明的实施例的采集到的俯仰力矩信号和位移信号；

图10为根据本发明的实施例的采集到的偏航力矩信号和位移信号。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

如图1所示，用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置包括俯仰偏航铰链1、支杆2、俯仰偏航力矩梁3、力矩梁转轴4、推杆5、推轮杆6、直线球轴承7、套筒8、限位块9、限位块固定螺钉10、套筒固定柱销11、锁紧螺母12、油缸13、中轴14、俯仰偏航铰链连接螺钉15、俯仰偏航铰链连接柱销16、力矩梁转轴固定螺钉17、推轮18和油缸驱动杆20。

油缸13的后端和中轴14的前端连接，中轴14作为所述实验装置的支撑机构。图2为根据本发明的实施例的支杆示意图，支杆2的后端和油缸13的前端通过锥面配合的方式连接。

如图5所示，推杆5的中段设置有限位槽，后端设置有螺纹孔，前端设置有垂直与轴向的孔，用于连接推轮杆6，推杆5沿着轴向设置在支杆2的内部，推杆5的下端与油缸驱动杆20通过螺纹连接，套筒8通过套筒固定柱销11固定在支杆2的内部，直线球轴承7的型号为LBP101726，数量为2个，通过锁紧螺母12固定在支杆2的内部，推杆5穿过直线球轴承7和套筒8，使得推杆5随着油缸驱动杆20沿着轴向做前后方向简谐运动。图6为根据本发明的实施例的限位块示意图，限位块9通过限位块固定螺钉10固定在支杆2上，并插入推杆5的限位槽，以限制推杆5的滚转自由度。

如图7和图8所示，推轮杆6沿着与轴向垂直的方向连接在推杆5的前端，推轮杆6的两端分别通过推轮固定螺钉19连接一个推轮18，使得推轮18沿着轴向做前后方向简谐运动。

如图3和图4所示，俯仰偏航铰链1设置在支杆2的前端，力矩梁转轴4沿着与轴向垂直的方向连接在滚转铰链1的后端，俯仰偏航力矩梁3的前端通过俯仰偏航铰链连接螺钉15和俯仰偏航铰链连接柱销16与俯仰偏航铰链1的前端连接，力矩梁转轴4通过力矩梁转轴固定螺钉17与俯仰偏航力矩梁3连接。俯仰偏航力矩梁3设置有两个方向相同的角度槽，两个推轮18分别被设置在所述角度槽中，俯仰偏航力矩梁3通过角度槽将推轮18的前后方向简谐运动转换为俯仰偏航力矩梁3围绕力矩梁转轴4做旋转简谐运动，并使得俯仰偏航铰链1围绕力矩梁转轴4做旋转简谐运动。

实施例

在使用本发明的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置进行试验时，该装置的中轴14固定在风洞弯刀上，俯仰偏航铰链1连接动态测力天平，动态测力天平前端和试验模型连接在一起，试验模型质心和俯仰偏航铰链旋转中心重合，通过信号发生器控制油缸13做指定频率、振幅的简谐运动，进而驱动推杆5做前后方向上简谐运动，推杆5通过传递力和运动使俯仰偏航力矩梁3驱动俯仰偏航铰链1绕力矩梁转轴4做简谐运动，进而使模型绕其质心做简谐运动。试验时同步测量动态天平力、力矩信号和俯仰偏航铰链角位移信号，通过对这两路信号相应的处理，从而得到相应的动稳定导数。

整套试验机构尺寸总长约700mm，支杆2的直径为24mm，可以实现俯仰运动角度最大3°，试验振动频率最高可以到16Hz。图9为使用本发明的试验装置进行地面调试时采集到的俯仰力矩Mz的信号和俯仰角位移信号，如图9所示，滤波后，通过该试验装置测得俯仰角位移为-1.0°-1.0°之间的简谐运动，俯仰力矩的范围为-1N.m-1N.m。图10为使用本发明的试验装置进行地面调试时采集到的偏航力矩My的信号和偏航角位移信号，如图10所示，滤波后，通过该试验装置测得偏航角位移为-0.9°-0.9°之间的简谐运动，偏航力矩的范围为-2N.m-2N.m。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，包括：俯仰偏航铰链(1)、支杆(2)、俯仰偏航力矩梁(3)、力矩梁转轴(4)、推杆(5)、推轮杆(6)、直线球轴承(7)、套筒(8)、限位块(9)、油缸(13)、中轴(14)、推轮(18)和油缸驱动杆(20)；

油缸(13)的后端和中轴(14)的前端连接，支杆(2)的后端和油缸(13)的前端连接；

油缸驱动杆(20)沿着轴向设置在油缸(13)中，用于沿着轴向做前后方向简谐运动；

推杆(5)沿着轴向设置在支杆(2)的内部，推杆(5)的后端与油缸驱动杆(20)连接，推杆(5)穿过直线球轴承(7)和套筒(8)，使得推杆(5)随着油缸驱动杆(20)沿着轴向做前后方向简谐运动；

限位块(9)固定在支杆(2)上，用于限制推杆(5)的滚转自由度；

推轮杆(6)沿着与轴向垂直的方向连接在推杆(5)的前端，推轮杆(6)的两端分别连接一个推轮(18)，使得推轮(18)沿着轴向做前后方向简谐运动；

俯仰偏航铰链(1)设置在支杆(2)的前端，力矩梁转轴(4)沿着与轴向垂直的方向连接在俯仰偏航铰链(1)的后端，俯仰偏航力矩梁(3)的前端与俯仰偏航铰链(1)的前端连接，力矩梁转轴(4)与俯仰偏航力矩梁(3)连接，俯仰偏航力矩梁(3)使得俯仰偏航铰链(1)围绕力矩梁转轴(4)做旋转简谐运动。

2.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，支杆(2)的后端和油缸(13)的前端通过锥面配合的方式连接。

3.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，推杆(5)的后端与油缸驱动杆(20)通过螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，套筒(8)通过套筒固定柱销(11)固定在支杆(2)的内部。

5.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，直线球轴承(7)的数量为2个，通过锁紧螺母(12)固定在支杆(2)的内部。

6.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，推杆(5)的中段设置有限位槽，限位块(9)通过限位块固定螺钉(10)固定在支杆(2)上，并插入所述限位槽，以限制推杆(5)的滚转自由度。

7.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，俯仰偏航力矩梁(3)的前端通过俯仰偏航铰链连接螺钉(15)和俯仰偏航铰链连接柱销(16)与俯仰偏航铰链(1)的前端连接。

8.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，力矩梁转轴(4)通过力矩梁转轴固定螺钉(17)与俯仰偏航力矩梁(3)连接。

9.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，推轮杆(6)的两端分别通过推轮固定螺钉(19)连接一个推轮(18)。

10.根据权利要求1所述的用于高超声速风洞俯仰偏航强迫振动动导数试验装置，其特征在于，俯仰偏航力矩梁(3)设置有两个方向相同的角度槽，两个推轮(18)分别被设置在所述角度槽中，用于将推轮(18)的前后方向简谐运动转换为俯仰偏航力矩梁(3)围绕力矩梁转轴(4)做旋转简谐运动。