CN109000881B - 一种适用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置，包括：驱动装置、水冷装置、支撑装置、运动转换装置、力矩传递装置、滚转铰链、五分量动态天平；驱动装置作为整个试验装置的动力源，水冷装置为驱动装置提供正常工作环境，通过支撑装置将整个试验装置安装在风洞内；同时，支撑装置为驱动装置、水冷装置、运动转换装置提供安装支撑；运动转换装置将驱动装置的输出转换成简谐运动并传递至力矩传递装置，滚转铰链一端连接力矩传递装置，一端与支撑装置连接，通过滚转铰链测量力矩传递装置的角位移；五分量动态天平安装在力矩传递装置的前端，力矩传递装置带动五分量动态天平做简谐运动，由五分量动态天平测量安装在其前端试验模型的力矩信号。

Description

一种适用于马赫数8.0下的滚转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马赫数8.0下通过小振幅强迫振动方法测量飞行器试验模型滚转方向动导数的风洞试验装置。

背景技术

飞行器的气动设计和控制系统设计都要求提供飞行器在其飞行条件下的动稳定导数数据。飞行器在作姿态改变的动作或受到气流干扰时,会发生偏离平衡姿态的俯仰、偏航或滚转振动。动稳定性研究的目的是预示这些振动的衰减趋势和规律。对于被动式阻尼控制的飞行器来说，飞行器的动态飞行品质和可靠性要求对飞行器动稳定性的预示提出了极高的要求。过低的动稳定性容易导致飞行器的角运动发散，这样，将严重影响飞行器的飞行姿态。因此，动导数的准确预示显得尤为重要。

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。

从70年代时起，对升力体外形的航天飞行器的动态气动特性研究日趋深入，如航天飞机、X-37B和HL20等。美国为了满足航天飞行器自主研发的需要，以基础科研为核心，研究所涉及的布局外形以钝锥外形为基础，通过几何特征参数变化形成系列化与形谱化升力体布局外形，重点研究由于布局变化带来的增加升阻比与钝前缘分离，对纵、横航向气动耦合特性的影响，为航天飞行器气动布局设计积累了大量经验、理念与知识。这类航天飞行器往往具有较高飞行马赫数，一般大于马赫数8.0。

目前风洞动稳定导数试验常用的方法是自由振动试验方法和强迫振动试验方法，通过测量作用于模型上的气动力、力矩和测量模型的运动参数，求出其动稳定导数。由于自由振动试验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。

强迫振动试验方法是使用激振器驱动模型在某一自由度下做固定频率和固定振幅的简谐振动，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、动态天平、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和力矩。激振装置一般有电机激振、电磁激振、液压激振几种方式。电机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。

获得马赫数8.0下飞行器的动导数对气动性能设计、控制系统和总体设计是非常重要的，通过风洞试验获得飞行器动导数显得尤为重要，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：克服现有技术的不足，提供一种适用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置。

本发明的技术解决方案是：一种适用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置，包括：驱动装置、水冷装置、支撑装置、运动转换装置、力矩传递装置、滚转铰链、五分量动态天平；

驱动装置作为整个试验装置的动力源，水冷装置为驱动装置提供正常工作环境，通过支撑装置将整个试验装置安装在风洞内；同时，支撑装置为驱动装置、水冷装置、运动转换装置提供安装支撑；

运动转换装置将驱动装置的输出转换成简谐运动并传递至力矩传递装置，滚转铰链一端连接力矩传递装置，一端与支撑装置连接，通过滚转铰链测量力矩传递装置的角位移；五分量动态天平安装在力矩传递装置的前端，力矩传递装置带动五分量动态天平做简谐运动，由五分量动态天平测量安装在其前端试验模型的力矩信号。

进一步的，所述的水冷装置包括水冷套主体、水冷套外壳、水冷套凸起块和水冷套管嘴；

所述的水冷套主体为中空结构且分为两部分，一部分与支撑装置连接，内部放置减速器；另一部分内腔与电机表面贴合，内腔外套装水冷套外壳并与水冷套外壳之间形成水流冷却空间，水冷套管嘴通过水冷套凸起块安装在水冷套外壳上；通过水流冷却空间以及水冷套管嘴保证电机外表面四周充满水且处于流动状态。

进一步的，所述的水冷装置还包括安装在水冷套主体与水冷套外壳之间的水冷套隔板，通过水冷套隔板保证水流冷却空间内的水均匀流动。

进一步的，水冷套隔板位于两个水冷套管嘴中间位置；水冷套隔板一侧焊接在水冷套主体上，另一侧与水冷套外壳内表面缝隙为0.5mm-2mm。

进一步的，所述的水冷装置的横截面积小于风洞试验段横截面积的5％。

进一步的，所述的滚转铰链通过四根对称分布的梁两端连接中空圆柱配合面构成，所述的四根梁厚度一致，且范围0.8mm-1.2mm；其中位于后端的圆柱配合面的内外孔直径均大于前端圆柱配合面的内外直径；后端圆柱配合面的外表面用于与支撑装置连接；前端圆柱配合面的内表面用于连接力矩传递装置。

进一步的，两端配合面的长度不少于15mm。

进一步的，后端的圆柱配合面的内外直径分别较前端圆柱配合面内外孔直径至少大2mm。

进一步的，所述的力矩传递装置包括滚转传动杆、轴承、摆动筒；

滚转传动杆通过轴承安装在支撑装置内腔，相对支撑装置做简谐运动；滚转传动杆穿过滚转铰链内腔并与滚转铰链前端圆柱面内孔连接；滚转传动杆的前端连接五分量动态天平，后端与摆动筒通过锥面配合方式定位连接；摆动筒通过运动转换装置驱动。

进一步的，所述的运动转换装置包括偏心轴、支撑轴承、驱动轴承；

偏心轴后端和驱动装置连接，偏心轴通过支撑轴承安装在支撑装置内孔中，偏心轴前端安装驱动轴承，驱动摆动筒做简谐运动。

进一步的，所述的支撑装置包括支杆、连接轴、弯刀连接头、整流锥；弯刀连接头由连接头和带有中空内腔的支撑结构组成；其中，连接头安装在风洞弯刀上，支撑结构的后端连接水冷装置和驱动装置，支撑结构的前端与连接轴连接；所述的连接轴为中空偏心结构，其后端空腔内安装运动转换装置，前端内腔安装支杆；支杆为中空结构，其内腔用于安装力矩传递装置和滚转铰链；整流锥安装在连接轴的前端面且与支杆外锥面配合。

进一步的，偏心轴的偏心距通过下述方式确定：

首先，根据试验模型气动力和运动惯性力以及驱动装置的输出扭矩，确定支撑装置连接轴内腔的偏心距；

然后，根据上述连接轴内腔的偏心距结合需要的简谐运动振幅确定运动转换装置的偏心距。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过水冷套冷却电机和减速器，可以始终给电机提供满足正常工作的温度环境，保证电机和减速器在马赫数8.0的流场条件下正常工作。

(2)主要零部件的连接方式均采用锥面配合+楔子拉紧方式，提高了连接的可靠性。

(3)偏心轴和摆动筒之间通过轴承传动运动，可以有效的降低运动部件的磨损。

(4)传动部件拆卸更换方便，试验时可以随时对磨损零部件进行更换。

(5)通过力矩梁与支杆之间预留一定间隙，保证试验机构受力时不影响运动机构的正常工作。

(6)通过四个对称分布的滚转铰链可以保证滚转角位移信号线性高精度的输出，提高测量精准度。

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弯刀连接头示意图；

图3为根据本发明的实施例的水冷装置示意图；

图4为根据本发明的实施例的水冷套主体；

图5为根据本发明的实施例的水冷套外壳；

图6为根据本发明的实施例的连接轴示意图；

图7为根据本发明的实施例的偏心轴示意图；

图8为根据本发明的实施例的摆动筒示意图；

图9为根据本发明的实施例的滚转传动杆示意图；

图10为根据本发明的实施例的滚转铰链示意图；

图11为根据本发明的实施例的整流锥示意图；

图12为根据本发明的实施例的支杆示意图；

图13为根据本发明的实施例的五分量动态天平示意图；

图14为根据本发明的实施例的采集到的滚转力矩信号和滚转角位移信号。

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，用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置，包括：五分量动态天平1、天平连接楔子2、滚转传动杆3、轴承挡圈螺母4、轴承61802 5、支杆6、轴承61804挡圈7、轴承61804 8、轴承61805挡圈9、轴承61805 10、支杆定位键11、支杆连接楔子12、连接轴13、滚转铰链与滚转传动杆连接锥销14、滚转铰链15、滚转铰链与支杆连接锥销16、弯刀连接头17、联轴器18、水冷套连接螺钉19、水冷套主体20、减速器21、电机AM8023 22、水冷套外壳23、水冷套隔板24、水冷套凸起块25、水冷套管嘴26、偏心轴27、轴承6003挡圈28、轴承6003 29、连接轴连接楔子30、连接轴定位键31、轴承6002 32、轴承6002挡圈33、轴承6190034、摆动筒35、摆动筒连接螺钉36、摆动筒定位键37、整流锥连接螺钉38、整流锥39。

如图3、4、5所示，水冷装置包括水冷套主体21、水冷套外壳23、水冷套凸起块25、水冷套管嘴26以及安装在水冷套主体21与水冷套外壳23之间的水冷套隔板24；水冷套主体21为中空结构且分为两部分，一部分与支撑装置连接，内部放置减速器；另一部分内腔与电机表面贴合，内腔外套装水冷套外壳23并与水冷套外壳23之间形成水流冷却空间，水冷套管嘴26通过水冷套凸起块25安装在水冷套外壳23上；通过水流冷却空间以及水冷套管嘴26保证电机外表面四周充满水且处于流动状态。水冷套隔板24位于两个水冷套管嘴26中间位置；水冷套隔板24一侧焊接在水冷套主体21上，另一侧与水冷套外壳23内表面缝隙为0.5mm-2mm，通过水冷套隔板27保证水流冷却空间内的水均匀流动。为了保证试验模型在试验风洞中的流场品质，水冷装置的横截面积小于风洞试验段横截面积的5％。

支撑装置包括支杆6、连接轴13、弯刀连接头17、整流锥39；如图2所示，弯刀连接头17由连接头和带有中空内腔的支撑结构组成；其中，连接头通过柱销和螺钉安装在风洞弯刀上，支撑结构的后端连接水冷装置和驱动装置，支撑结构的前端通过连接轴定位键31和连接轴楔子30用锥面配合方式与连接轴13连接；如图6所示，所述的连接轴13为中空偏心结构，其后端空腔内安装运动转换装置，前端内腔通过支杆定位键11和支杆连接楔子12安装支杆6；如图12所示，支杆6为中空结构，其内腔用于安装力矩传递装置和滚转铰链；具体通过支杆连接锥销16固定滚转铰链15；如图11所示，整流锥39通过整流锥连接螺钉38安装在连接轴的前端面且与支杆6外锥面配合，起到流场整流的作用。

如图10所示，滚转铰链15通过四根对称分布的梁两端连接中空圆柱配合面构成，所述的四根梁厚度一致，且范围0.8mm-1.2mm；其中位于后端的圆柱配合面的内外孔直径均大于前端圆柱配合面的内外直径；后端圆柱配合面的外表面用于与支撑装置连接；前端圆柱配合面的内表面用于连接力矩传递装置。两端配合面的长度不少于15mm。后端的圆柱配合面的内外直径分别较前端圆柱配合面内外孔直径至少大2mm。

力矩传递装置包括滚转传动杆3、轴承、摆动筒35(图8)；滚转传动杆3通过轴承618025、轴承618048和轴承6180510安装在支杆6内腔，相对支撑装置做简谐运动；如图9所示，滚转传动杆3穿过滚转铰链15内腔并与滚转铰链15前端圆柱面内孔通过滚转传动杆连接锥销14连接；如图13所示，五分量动态天平1通过锥面配合和天平连接楔子2拉紧方式安装在滚转传动杆3的前端，试验模型通过锥面配合和螺钉拉紧方式安装在五分量动态天平1上，滚转传动杆3的后端与摆动筒35通过锥面配合方式用摆动筒连接螺钉36与摆动筒定位键37连接；摆动筒35通过运动转换装置驱动，摆动筒主要作用是运动转换，由滚转传动杆3带动五分量动态天平1和试验模型做简谐运动。

运动转换装置包括偏心轴27、支撑轴承(轴承6003 29和轴承6002 32)、驱动轴承(轴承61900 34)；

如图7所示，偏心轴27后端和驱动装置连接，偏心轴通过支撑轴承安装在连接轴13内腔中做连续滚转运动，通过偏心轴27和驱动轴承的驱动，把偏心轴27的连续滚转运动转换了摆动筒35的简谐运动；

上述偏心轴的偏心距通过下述方式确定：

首先，根据试验模型气动力和运动惯性力以及驱动装置的输出扭矩，确定支撑装置连接轴内腔的偏心距；

然后，根据上述连接轴内腔的偏心距结合需要的简谐运动振幅确定运动转换装置的偏心距。

驱动装置中的电机AM802322和减速器21通过螺钉连接，减速器21和弯刀连接头17通过螺钉连接，联轴器18一端和减速器21通过螺钉连接。

试验过程中五分量动态天平测量试验模型做简谐运动时模型受到的气动力和力矩，同时滚转铰链同步测量角位移信号，通过数据采集系统采集到五分量动态天平信号和滚转铰链信号，进而进行相应的数据处理就可以得到相应的滚转动稳定导数。

实施例

在使用本发明的用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置进行试验时，该装置的弯刀连接头17安装在风洞弯刀上，五分量动态天平1前端和模型连接在一起，试验模型的理论质心和滚转铰链15的旋转中心重合，通过电机控制系统控制电机AM8023 22做指定频率的转动，通过偏心轴27调节振幅，从而使模型做指定频率和振幅的简谐运动。试验时同步测量五分量动态天平1力、力矩信号和滚转铰链15角位移信号，通过对两路信号采用相应的处理，就可以得到相应的动稳定导数。

整套试验机构尺寸总长约1000mm，支杆6的前端直径为27mm，水冷套的最大外径90mm，整套机构最大可以实现滚转振动角度±3°，通过调节电机AM8023 22的转速和减速器21的减速比，最大可以做的振动频率20Hz。如图14所示，为试验马赫数8.0时，攻角45°工况下，滚转强迫振动时采集到的原始信号和滤波处理后信号，采集到的角位移信号为-1.8°-1.8°，振动频率为11.11Hz，滚转力矩变化范围为-0.07N.m-0.07N.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)

1.一种适用于马赫数8.0下的滚转强迫振动动导数试验装置，其特征在于，包括：驱动装置、水冷装置、支撑装置、运动转换装置、力矩传递装置、滚转铰链、五分量动态天平；驱动装置作为整个试验装置的动力源，水冷装置为驱动装置提供正常工作环境，通过支撑装置将整个试验装置安装在风洞内；同时，支撑装置为驱动装置、水冷装置、运动转换装置提供安装支撑；运动转换装置将驱动装置的输出转换成简谐运动并传递至力矩传递装置，滚转铰链一端连接力矩传递装置，一端与支撑装置连接，通过滚转铰链测量力矩传递装置的角位移；五分量动态天平安装在力矩传递装置的前端，力矩传递装置带动五分量动态天平做简谐运动，由五分量动态天平测量安装在其前端试验模型的力矩信号；所述的水冷装置包括水冷套主体（20）、水冷套外壳（23）、水冷套凸起块（25）和水冷套管嘴（26）；所述的水冷套主体（20）为中空结构且分为两部分，一部分与支撑装置连接，内部放置减速器；另一部分内腔与电机表面贴合，内腔外套装水冷套外壳（23）并与水冷套外壳（23）之间形成水流冷却空间，水冷套管嘴（26）通过水冷套凸起块（25）安装在水冷套外壳（23）上；通过水流冷却空间以及水冷套管嘴（26）保证电机外表面四周充满水且处于流动状态；所述的水冷装置的横截面积小于风洞试验段横截面积的5%。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：还包括安装在水冷套主体（20）与水冷套外壳（23）之间的水冷套隔板（24），通过水冷套隔板（24）保证水流冷却空间内的水均匀流动。

3.根据权利要求1或2所述的试验装置，其特征在于：水冷套隔板（24）位于两个水冷套管嘴（26）中间位置；水冷套隔板（24）一侧焊接在水冷套主体（20）上，另一侧与水冷套外壳（23）内表面缝隙为0.5mm-2mm。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的滚转铰链（15）通过四根对称分布的梁两端连接中空圆柱配合面构成，所述的四根对称分布的梁厚度一致，且范围0.8mm-1.2mm；其中位于后端的圆柱配合面的内外孔直径均大于前端圆柱配合面的内外直径；后端圆柱配合面的外表面用于与支撑装置连接；前端圆柱配合面的内表面用于连接力矩传递装置。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：两端配合面的长度不少于15mm。

6.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于：后端的圆柱配合面的内外直径分别较前端圆柱配合面内外孔直径至少大2mm。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的力矩传递装置包括滚转传动杆（3）、轴承、摆动筒（35）；滚转传动杆（3）通过轴承安装在支撑装置内腔，相对支撑装置做简谐运动；滚转传动杆（3）穿过滚转铰链（15）内腔并与滚转铰链（15）前端圆柱面内孔连接；滚转传动杆（3）的前端连接五分量动态天平（1），后端与摆动筒（35）通过锥面配合方式定位连接；摆动筒（35）通过运动转换装置驱动。

8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的运动转换装置包括偏心轴（27）、支撑轴承、驱动轴承；偏心轴（27）后端和驱动装置连接，偏心轴通过支撑轴承安装在支撑装置内孔中，偏心轴前端安装驱动轴承，驱动摆动筒（35）做简谐运动。

9.根据权利要求1或8所述的试验装置，其特征在于：所述的支撑装置包括支杆（6）、连接轴（13）、弯刀连接头（17）、整流锥（39）；弯刀连接头（17）由连接头和带有中空内腔的支撑结构组成；其中，连接头安装在风洞弯刀上，支撑结构的后端连接水冷装置和驱动装置，支撑结构的前端与连接轴（13）连接；所述的连接轴（13）为中空偏心结构，其后端空腔内安装运动转换装置，前端内腔安装支杆（6）；支杆（6）为中空结构，其内腔用于安装力矩传递装置和滚转铰链；整流锥（39）安装在连接轴的前端面且与支杆（6）外锥面配合。

10.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：偏心轴的偏心距通过下述方式确定：

首先，根据试验模型气动力和运动惯性力以及驱动装置的输出扭矩，确定支撑装置连接轴内腔的偏心距；

然后，根据上述连接轴内腔的偏心距结合需要的简谐运动振幅确定运动转换装置的偏心距。

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