CN108146653A - 一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，在飞行器狭小空间内，且总质量不变的情况下，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平设计，从而缓解舵系统承载能力差的问题；由于配重块安装接口一致，因此配重可进行位置互换，也可根据配重安装位置空间情况进行独特外型面配重设计；充分利用配重接口可互换，配重质心分布于象限上，配重接口沿轴向可大范围调节，可实现飞行器在质量不变的情况下变质心的高效调节及配平。

Description

一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法
技术领域
本发明涉及一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，属于复杂外形飞行器相关设计技术领域。
背景技术
某研究性飞行器为小尺寸面对称复杂外形飞行器，根据不同试验目的需要在不同气动剖面下飞行，由于伺服舵机抗弯能力较弱，为减少空气舵真实攻角，进一步减少空气舵弯矩，飞行器质心需根据不同发次飞行试验的飞行剖面进行调整。
飞行器为小尺寸复杂外形，内部空间狭小，而有效装填载荷较大，且根据总体要求需实现不同飞行试验飞行器总质量不变。现有飞行器配平技术多限于在飞行器质心系数一定的情况下，进行X、Y、Z三向配平。
传统飞行器质心系数为一个确定的数值，轴向质心配平设计时，一般在轴向尽量靠前处设计一处质心调整块安装接口，通过质心调整块质量的变化，实现验证器质心系数的调整，但是由于受到空间限制，质心调整块安装的重量有限，因此可调节的质心系数有限，无法实现飞行器在不同飞行剖面下质心大范围调整，因此无法解决现在伺服舵机承载能力差的问题。
因此，在质量不变、空间狭小、有效载荷大等多约束条件下，设计一种可适应于变质心系数要求的飞行器三向高效配平方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，在全飞行器总质量不变的情况下，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平，从而缓解舵系统承载能力差的问题。
本发明的技术解决方案：
一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，飞行器包括头舱、设备舱及伺服舱，
具体步骤如下：
(1)对飞行器进行象限划分及坐标确定：
飞行器稳定飞行时对着射向的母线称为I基准线，从飞行器头锥沿弹体纵轴向后看，以I基准线作起点，沿逆时针方向依次相距90°、180°、 270°的母线分别称为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ基准线；
飞行器几何坐标系OXYZ：以飞行器端头顶点为坐标系的原点O，OX轴位于飞行器纵向对称平面内，垂直于后端面指向飞行器后端为正；OY轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于OX轴由Ⅰ象限线指向Ⅲ象限线为正；OZ轴与OX、OY轴构成右手坐标系。
(2)确定飞行器操作口盖位置：根据总装操作、对接流程以及配重安装需求，在设备舱前端Ⅱ、Ⅳ象限以及伺服舱Ⅰ～Ⅳ象限设置操作口盖；
(3)设计飞行器操作口盖：操作口盖外形与飞行器外形相匹配，在每个操作口盖上设置加强筋，根据设备舱口盖的周向长度，在设备舱操作口盖上设置2～3条横向加强筋；在每个操作口盖的加强筋上按照一定间距设计配重块安装接口，根据操作口盖的轴向长度，在操作口盖的加强筋上设置 2～8组配重块安装接口；
(4)确定配重安装位置：配重材料选择密度为16～17.5g/cm3的钨渗铜，配重安装位置轴向可调节，根据飞行器配平前的质量M以及X、Y、Z向质心位置，在不小于340mm的飞行器质心调节范围内，确保飞行器质量不变的前提下调整配重块安装位置，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平。
还包括步骤5，对配平后的飞行器质量及X、Y、Z向质心位置进行测量，如测量结果没有满足设计要求，则重回步骤4，直至满足要求。
确定配重块安装位置方法为：根据每发次X向的质心要求情况确定Z 向质心配重块的安装位置，如果X向质心要求偏前，则对Z向进行调节的配重块安装于设备舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠前端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节；如果X向质心靠后，则对Z向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，并将配重块安装于口盖轴向靠后位置处的安装接口处，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠后端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节。
在配重安装位置不方便设置操作口盖的飞行器上，在飞行器舱体内壁局部设置加强筋，在加强筋上轴向设置多处配重安装接口。
在操作口盖加强筋上设置的每组配重块安装接口之间间距为20～ 50mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明在飞行器狭小空间内，且总质量不变的情况下，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平设计，从而缓解舵系统承载能力差的问题；
(2)本发明由于配重块安装接口一致，因此配重可进行位置互换，也可根据配重安装位置空间情况进行独特外型面配重设计；
(3)本发明充分利用配重接口可互换，配重质心分布于象限上，配重接口沿轴向可大范围调节，可实现飞行器在质量不变的情况下变质心的高效调节及配平。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明飞行器结构主视图；
图3为本发明图1的侧视图；
图4为本发明配重连接结构主视图；
图5为本发明图4的A-A向剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1所示，一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，飞行器包括头舱、设备舱及伺服舱，具体步骤如下：
(1)对飞行器进行象限划分及坐标确定：
如图3所示，飞行器稳定飞行时对着射向的母线称为I基准线，从飞行器头锥沿弹体纵轴向后看，以I基准线作起点，沿逆时针方向依次相距 90°、180°、270°的母线分别称为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ基准线；
飞行器几何坐标系OXYZ：以飞行器端头顶点为坐标系的原点O，OX轴位于飞行器纵向对称平面内，垂直于后端面指向飞行器后端为正；OY轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于OX轴由Ⅰ象限线指向Ⅲ象限线为正；OZ轴与OX、OY轴构成右手坐标系。
(2)确定飞行器操作口盖位置：根据总装操作、对接流程以及配重安装需求，在设备舱前端Ⅱ、Ⅳ象限以及伺服舱Ⅰ～Ⅳ象限设置操作口盖；
(3)设计飞行器操作口盖：操作口盖外形与飞行器外形相匹配，在每个操作口盖上设置加强筋，根据设备舱口盖的周向长度，在设备舱操作口盖上设置2～3条横向加强筋；在每个操作口盖的加强筋上按照一定间距设计配重块安装接口，根据操作口盖的轴向长度，在操作口盖的加强筋上设置 2～8组配重块安装接口，每组配重块安装接口之间间距为20～50mm；
(4)确定配重安装位置：如图4、图5所示，配重材料选择密度为 16～17.5g/cm3的钨渗铜，配重安装位置轴向可调节，根据飞行器配平前的质量M以及X、Y、Z向质心位置，在不小于340mm的飞行器质心调节范围内，确保飞行器质量不变的前提下调整配重块安装位置，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平。
确定配重块安装位置方法为：根据每发次X向的质心要求情况确定Z向质心配重块的安装位置，如果X向质心要求偏前，则对Z向进行调节的配重块安装于设备舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠前端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节；如果X向质心靠后，则对Z向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，并将配重块安装于口盖轴向靠后位置处的安装接口处，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠后端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节。
还包括步骤5，对配平后的飞行器质量及X、Y、Z向质心位置进行测量，如测量结果没有满足设计要求，则重回步骤4，直至满足要求。
在配重安装位置不方便设置操作口盖的飞行器上，在飞行器舱体内壁局部设置加强筋，在加强筋上轴向设置多处配重安装接口。
实施例
飞行器外形如图2所示，飞行器前端为一尖锥，后端设置空气舵。飞行器分为头舱、设备舱及伺服舱，受飞行试验目的的约束，头舱不得设置安装口盖，飞行器额定质量为430kg，并保持不变，根据飞行剖面及伺服承载能力，飞行器质心调节范围需不小于340mm。
根据舱段内部设备安装结构，判断是否通过舱段前后端面能实现所有设备的安装，如果不可以则根据设备安装位置确定设置操作口盖的位置。如果舱段对接结构采用内部螺钉连接，则并需要在舱段对接面附近开设操作口盖，以实现舱段对接。
具体根据全弹质心要求的范围，由于前端无配重安装接口，因此在不安装配重时全弹X向质心需在1781mm之前，以实现在Y、Z向配重后，全弹质心满足附图中质心范围要求。综合考虑操作窗口设置情况，设备舱前端Ⅱ、Ⅳ象限以及伺服舱Ⅰ～Ⅳ象限操作口盖均设置配重安装接口。
为最大程度的利用飞行器内部空间，配重材料选择密度较大的材料，如钨渗铜，ρ＝16～17.5g/cm3。配重的安装面处形状根据舱体内部安装面内型确定，其余部分结构形状根据飞行器内部空间以及需要配重的质量决定。
根据飞行器设计的总体要求，头舱不可设置窗口，考虑全弹对接操作，以及仪器设备布局情况，需要在设备舱前端Ⅱ、Ⅳ象限以及伺服舱Ⅰ～Ⅳ象限设置操作窗口。由于头舱空间小，安装的设备较多，传感器密集，因此头舱无法实现配重安装接口的设置。
飞行器质量为430kg，Y、Z向质心偏差不大于3mm，伺服舱操作口盖设置配重安装接口时，配重的质心位置Y、Z向坐标约220mm，因此为实现Y、 Z向质心调节，伺服舱单个口盖需安装配重的质量不小于(430*3)/220≈ 6kg。根据飞行器不同飞行剖面下轴向质心变化要求(140mm的变化范围)，结合伺服舱口盖中心位置距飞行器质心位置(不小于700),为实现X向质心的调节，伺服舱单个口盖安装配重的质量最大约为(430*140)/(700*4)≈ 21kg。
为实现飞行器轴向质心位置调节140mm，且总重量不变的功能，需要质心调节块安装位置轴向可以调节，且质心调整块的接口一致。根据上述分析，伺服舱单个口盖安装配重的最大质量为21kg，伺服舱口盖内型轴向长 240mm，每个口盖设计7组配重块安装接口(每组为M6螺纹孔，见附图)，安装接口设计在口盖加强筋上，每组安装接口之间间距为33mm。每个口盖的配重块质量设计如下：0.5kg(1个)、1kg(1个)、2kg(1个)、3kg(7 个)，每个配重块利用2个M6的螺钉进行固定安装。
设备舱口盖设计时靠近设备舱前端面，以利于配重安装接口轴向靠前，以防在产品超差情况下，飞行器初始轴向质心大于1781mm时，对飞行器轴向质心向前进行调节。其余设计方法参考伺服舱配重块设计原则。设备舱口盖上设置2条加强筋，筋条上设置4组配重块安装接口(每组接口为M6 螺纹孔)，配重调节块设计如下：0.5kg(1个)、1kg(1个)、2kg(1个)、 3kg(4个)。
飞行器配平前首先进行质量特性测量，确定初始飞行器质量M以及X、 Y、Z向质心位置；
然后根据每发次X向的质心要求情况确定Z向质心配重块的安装位置，如果X向质心要求偏前，则对Z向进行调节的配重块安装于设备舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠前端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节；如果X向质心靠后，则对Z向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，并将配重块安装于口盖轴向靠后位置处的安装接口处，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠后端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节。
根据飞行器初始质量M以及X、Y、Z向质心位置，并按照上述原则计算配重块安装位置以及安装质量后，将口盖从飞行器上拆除，安装配重块，并将装有配重快的口盖重新安装于飞行器上。
配平后的飞行器需进行质量特性测量，检测配重计算及安装的准确性，如质量特性测量结果没有满足设计要求，则分析原因后重新进行配重安装以及配平后质量特性测量，至满足要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，飞行器包括头舱、设备舱及伺服舱，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对飞行器进行象限划分及坐标确定：
飞行器稳定飞行时对着射向的母线称为I基准线，从飞行器头锥沿弹体纵轴向后看，以I基准线作起点，沿逆时针方向依次相距90°、180°、270°的母线分别称为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ基准线；
飞行器几何坐标系OXYZ：以飞行器端头顶点为坐标系的原点O，OX轴位于飞行器纵向对称平面内，垂直于后端面指向飞行器后端为正；OY轴位于飞行器纵向对称面内，垂直于OX轴由Ⅰ象限线指向Ⅲ象限线为正；OZ轴与OX、OY轴构成右手坐标系。
(2)确定飞行器操作口盖位置：根据总装操作、对接流程以及配重安装需求，在设备舱前端Ⅱ、Ⅳ象限以及伺服舱Ⅰ～Ⅳ象限设置操作口盖；
(3)设计飞行器操作口盖：操作口盖外形与飞行器外形相匹配，在每个操作口盖上设置加强筋，根据设备舱口盖的周向长度，在设备舱操作口盖上设置2～3条横向加强筋；在每个操作口盖的加强筋上按照一定间距设计配重块安装接口，根据操作口盖的轴向长度，在操作口盖的加强筋上设置2～8组配重块安装接口；
(4)确定配重安装位置：配重材料选择密度为16～17.5g/cm3的钨渗铜，配重安装位置轴向可调节，根据飞行器配平前的质量M以及X、Y、Z向质心位置，在不小于340mm的飞行器质心调节范围内，确保飞行器质量不变的前提下调整配重块安装位置，实现飞行器在不同飞行剖面下质心系数大范围调整的三向配平。
2.如权利要求1所述的一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，其特征在于，还包括步骤5，对配平后的飞行器质量及X、Y、Z向质心位置进行测量，如测量结果没有满足设计要求，则重回步骤4，直至满足要求。
3.如权利要求1所述的一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，其特征在于，确定配重块安装位置方法为：根据每发次X向的质心要求情况确定Z向质心配重块的安装位置，如果X向质心要求偏前，则对Z向进行调节的配重块安装于设备舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠前端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节；如果X向质心靠后，则对Z向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅱ或Ⅳ象限操作口盖上，并将配重块安装于口盖轴向靠后位置处的安装接口处，且对Y向进行调节的配重块安装于伺服舱Ⅰ或Ⅲ象限口盖上靠后端的配重安装接口处，调节完Y、Z向质心后再进行X向质心的调节。
4.如权利要求1所述的一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，其特征在于，在配重安装位置不方便设置操作口盖的飞行器上，在飞行器舱体内壁局部设置加强筋，在加强筋上轴向设置多处配重安装接口。
5.如权利要求1所述的一种适应于复杂外形飞行器变质心的高效配平方法，其特征在于，在操作口盖加强筋上设置的每组配重块安装接口之间间距为20～50mm。
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