CN109297672A - 一种适用于马赫数8.0下的俯仰偏航强迫振动动导数试验装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于马赫数8.0下的俯仰偏航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、测量装置；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，由力矩传递装置驱动测量装置做强迫振动，测量装置测量强迫振动过程中的俯仰、偏航角位移以及力矩信号。

Description

一种适用于马赫数8.0下的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俯仰/偏航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下的俯仰偏航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下的俯仰偏航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、测量装置；

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，由力矩传递装置驱动测量装置做强迫振动，测量装置测量强迫振动过程中的俯仰、偏航角位移以及力矩信号。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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％。

优选的，所述的测量装置包括俯仰/偏航铰链和五分量动态天平；五分量动态天平前端安装模型；

所述的俯仰/偏航铰链为一体结构，包括两根横梁、一根运动梁、天平连接锥、力矩梁连接面、支杆连接锥；运动梁位于两根厚度一致且对称分布的横梁之间，三根梁两端分别连接力矩梁连接面和支杆连接锥，天平链接锥位于力矩梁连接面的另一侧并与五分量动态天平连接；支杆连接锥与支撑装置连接；其中两根横梁起支撑作用；通过运动梁使得力矩梁连接面能够相对支杆连接锥运动。

优选的，所述的运动梁包括前中后三部分，中间部分为厚度与横梁厚度一致的直梁；前后两部分与中间部分的夹角一致，通过前后两部分连接力矩梁连接面和支杆连接锥并使得直梁与横梁垂直。

优选的，横梁厚度2.0mm-5.0mm。

优选的，所述的夹角范围30°-60°。

优选的，俯仰/偏航铰链和五分量动态天平通过锥面配合用天平连接楔子连接。

优选的，所述的运动转换装置包括轴套、偏心轴、传动杆、轴承；

轴套通过过盈配合安装在偏心轴上，偏心轴安装在传动杆前端，传动杆通过轴承支撑在支撑装置内腔，传动杆尾端与驱动装置的输出端连接。

优选的，通过调节偏心轴的偏心距实现简谐运动振幅的变化。

优选的，偏心轴通过压紧螺钉和过盈配合方式与传动杆连接。

优选的，所述的力矩传递装置包括力矩梁连接锥销、主力矩梁、次力矩梁；支撑装置包括支杆、弯刀连接头；

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，支撑结构的前端通过定位键和楔子安装支杆；支杆为中空结构，其内腔用于安装运动转换装置；支杆中空结构前端设置运动槽，次力矩梁的后端与主力矩梁连接并径向穿过上述运动槽；主力矩梁后端被运动转换装置驱动在运动槽内做简谐运动；主力矩梁和次力矩梁的前端用力矩梁连接锥销和俯仰/偏航铰链连接。

优选的，主力矩梁和次力矩梁在运动槽内与运动槽两侧面的间距a大于1mm，主力矩梁后端下表面与运动槽底面间距b大于2mm；主力矩梁和次力矩梁径向穿过运动槽的连接部位与运动槽前后两侧间距c大于2mm；支杆前端上下平面与主力矩梁和次力矩梁的间距d大于1.5mm。

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)偏心轴和力矩梁之间安装有轴套，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。

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套示意图；

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支杆示意图；

图7为根据本发明的实施例的传动杆示意图；

图8为根据本发明的实施例的偏心轴和轴套示意图；

图9为根据本发明的实施例的主力矩梁示意图；

图10为根据本发明的实施例的次力矩梁示意图；

图11为根据本发明的实施例的俯仰/偏航铰链示意图；

图12为根据本发明的实施例的五分量动态天平示意图；

图13为根据本发明的实施例的力矩梁与支杆间间隙；

图14为根据本发明的实施例的采集到的俯仰力矩信号和俯仰角位移信号；

图15为根据本发明的实施例的采集到的偏航力矩信号和偏航角位移信号；

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下的俯仰偏航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、俯仰/偏航铰链3、力矩梁连接锥销4、主力矩梁5、次力矩梁6、铰链连接楔子7、力矩梁连接螺钉8、支杆9、轴套10、偏心轴11、传动杆12、轴承628/7 13、轴承61800挡圈14、轴承61800 15、支杆定位键16、支杆连接楔子17、弯刀连接头18、轴承61802挡圈19、轴承61802 20、联轴器21、水冷套连接螺钉22、水冷套主体23、减速器24、电机AM802325、水冷套外壳26、水冷套隔板27、水冷套凸起块28、水冷套管嘴29。电机AM8023 25、减速器24和联轴器21连接一起组成整个系统的驱动装置；

如图3所示，水冷套主体23(图4)、水冷套外壳26(图5)、水冷套隔板27、水冷套凸起块28和水冷套管嘴29共同组成水冷装置，水冷装置通过水冷套接螺钉22安装在弯刀连接头18后端，驱动系统在水冷套内部，通过水冷套实现对驱动装置的冷却作用。水冷套主体23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26，并与水冷套外壳26之间形成水流冷却空间，两个水冷套管嘴29通过水冷套凸起块28安装在水冷套外壳26上分别作为水冷装置的进出水口；通过水流冷却空间以及水冷套管嘴29保证电机外表面四周充满水且处于流动状态。水冷套隔板27位于两个水冷套管嘴29中间位置；水冷套隔板27一侧焊接在水冷套主体23上，另一侧与水冷套外壳26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％。

测量装置包括俯仰/偏航铰链3和五分量动态天平1；五分量动态天平1(图12)前端安装模型；俯仰/偏航铰链3如图11所示为一体结构安装在支杆9前端，包括两根横梁31、一根运动梁32、天平连接锥33、力矩梁连接面34、支杆连接锥35；运动梁32位于两根厚度一致且对称分布的横梁31之间，三根梁两端分别连接力矩梁连接面34和支杆连接锥35，天平链接锥33位于力矩梁连接面34的另一侧通过锥面配合用天平连接楔子2与五分量动态天平1连接；支杆连接锥35与支撑装置连接；其中两根横梁31起支撑作用；通过运动梁32使得力矩梁连接面34能够相对支杆连接锥35运动。所述的运动梁32包括前中后三部分，中间部分为厚度与横梁厚度一致的直梁(横梁厚度2.0mm-5.0mm)；前后两部分与中间部分的夹角(30°-60°)一致，通过前后两部分连接力矩梁连接面34和支杆连接锥35并使得直梁与横梁垂直。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，同时俯仰/偏航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俯仰/偏航铰链信号，进而进行相应的数据处理就可以得到相应的动稳定导数。

运动转换装置包括轴套10、偏心轴11、传动杆12、轴承；轴套10通过过盈配合安装在偏心轴11上用于减少磨损，偏心轴11(图8)通过压紧螺钉和过盈配合方式安装在传动杆12的前端，由传动杆带动偏心轴做滚转运动，偏心轴11和轴套10驱动力矩梁做简谐运动；传动杆12后端和联轴器21连接，分别通过轴承628/7 13、轴承61800 15和轴承61802 20安装在支杆9内腔中，传动杆12尾端与驱动装置的输出端连接。通过调节偏心轴11的偏心距实现简谐运动振幅的变化。

传动杆12(图7)后端和联轴器21连接，传动杆通过轴承628/7 13、轴承61800 15和轴承61802 20安装在支杆9内腔，可以在支杆9内腔内做连续滚转运动。

支撑装置包括支杆9、弯刀连接头18；力矩传递装置包括力矩梁连接锥销4、主力矩梁5(图9)、次力矩梁6(图10)；如图2所示，弯刀连接头18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，支撑结构的前端通过定位键16和楔子17安装支杆9，支杆9内腔支撑传动杆12做连续滚转运动。如图6所示；支杆9为中空结构，其内腔用于安装运动转换装置；支杆中空结构前端设置运动槽，次力矩梁6的后端与主力矩梁5通过力矩梁连接螺钉8连接并径向穿过上述运动槽，次力矩梁起加强主力矩梁刚度的作用。主力矩梁5后端被运动转换装置驱动在运动槽内做简谐运动；主力矩梁5和次力矩梁6的前端用力矩梁连接锥销4和俯仰/偏航铰链3连接。

如图13所示，主力矩梁5和次力矩梁6在运动槽内与运动槽两侧面的间距a大于1mm，主力矩梁后端下表面与运动槽底面间距b大于2mm；主力矩梁5和次力矩梁6径向穿过运动槽的连接部位与运动槽前后两侧间距c大于2mm；支杆9前端上下平面与主力矩梁5和次力矩梁6的间距d大于1.5mm。

实施例

在使用本发明的用于马赫数8.0下的俯仰偏航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18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俯仰/偏航铰链3的旋转中心重合，通过电机控制系统控制电机AM8023 25做指定频率的转动，通过偏心轴11调节振幅，从而使模型做指定频率和振幅的简谐运动，通过支杆9旋转90°可以实现俯仰振动和偏航振动的切换。试验时同步测量五分量动态天平1力、力矩信号和俯仰/偏航铰链3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9的前端直径为26mm，水冷套的最大外径90mm，整套机构可以实现俯仰/偏航振动角度±1°，通过调节电机AM8023 25的转速和减速器24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，俯仰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-0.9°-09°，振动频率为11.11Hz，俯仰力矩变化范围为-2.0N.m-2.0N.m。如图15所示，为试验马赫数8.0时，攻角45°工况下，偏航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-0.82°-0.82°，振动频率为11.11Hz，偏航力矩变化范围为-0.92N.m-0.92N.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 (15)

1.一种适用于马赫数8.0下的俯仰偏航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、测量装置；

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，由力矩传递装置驱动测量装置做强迫振动，测量装置测量强迫振动过程中的俯仰、偏航角位移以及力矩信号。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的水冷装置包括水冷套主体(23)、水冷套外壳(26)、水冷套凸起块(28)和水冷套管嘴(29)所述的水冷套主体(23)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(26)，并与水冷套外壳(26)之间形成水流冷却空间，水冷套管嘴(29)通过水冷套凸起块(28)安装在水冷套外壳(26)上；通过水流冷却空间以及水冷套管嘴(29)保证电机外表面四周充满水且处于流动状态。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：还包括安装在水冷套主体(23)与水冷套外壳(26)之间的水冷套隔板(27)，通过水冷套隔板(27)保证水流冷却空间内的水均匀流动。

4.根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：水冷套隔板(27)位于两个水冷套管嘴(29)中间位置；水冷套隔板(27)一侧焊接在水冷套主体(23)上，另一侧与水冷套外壳(26)内表面缝隙为0.5mm-2mm。

5.根据权利要求2或3所述的试验装置，其特征在于：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％。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：所述的测量装置包括俯仰/偏航铰链(3)和五分量动态天平(1)；五分量动态天平(1)前端安装模型；

所述的俯仰/偏航铰链(3)为一体结构，包括两根横梁(31)、一根运动梁(32)、天平连接锥(33)、力矩梁连接面(34)、支杆连接锥(35)；运动梁(32)位于两根厚度一致且对称分布的横梁(31)之间，三根梁两端分别连接力矩梁连接面(34)和支杆连接锥(35)，天平链接锥(33)位于力矩梁连接面(34)的另一侧并与五分量动态天平(1)连接；支杆连接锥(35)与支撑装置连接；其中两根横梁(31)起支撑作用；通过运动梁(32)使得力矩梁连接面(34)能够相对支杆连接锥(35)运动。

7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于：所述的运动梁(32)包括前中后三部分，中间部分为厚度与横梁厚度一致的直梁；前后两部分与中间部分的夹角一致，通过前后两部分连接力矩梁连接面(34)和支杆连接锥(35)并使得直梁与横梁垂直。

8.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于：横梁厚度2.0mm-5.0mm。

9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：所述的夹角范围30°-60°。

10.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于：俯仰/偏航铰链(3)和五分量动态天平(1)通过锥面配合用天平连接楔子(2)连接。

11.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轴套(10)、偏心轴(11)、传动杆(12)、轴承；

轴套(10)通过过盈配合安装在偏心轴(11)上，偏心轴(11)安装在传动杆(12)前端，传动杆(12)通过轴承支撑在支撑装置内腔，传动杆(12)尾端与驱动装置的输出端连接。

12.根据权利要求11所述的试验装置，其特征在于：通过调节偏心轴(11)的偏心距实现简谐运动振幅的变化。

13.根据权利要求11所述的试验装置，其特征在于：偏心轴(11)通过压紧螺钉和过盈配合方式与传动杆(12)连接。

14.根据权利要求1或6所述的试验装置，其特征在于：所述的力矩传递装置包括力矩梁连接锥销(4)、主力矩梁(5)、次力矩梁(6)；支撑装置包括支杆(9)、弯刀连接头(18)；

弯刀连接头(18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，支撑结构的前端通过定位键和楔子安装支杆(9)；支杆(9)为中空结构，其内腔用于安装运动转换装置；支杆中空结构前端设置运动槽，次力矩梁(6)的后端与主力矩梁(5)连接并径向穿过上述运动槽；主力矩梁(5)后端被运动转换装置驱动在运动槽内做简谐运动；主力矩梁(5)和次力矩梁(6)的前端用力矩梁连接锥销(4)和俯仰/偏航铰链(3)连接。

15.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于：主力矩梁(5)和次力矩梁(6)在运动槽内与运动槽两侧面的间距a大于1mm，主力矩梁后端下表面与运动槽底面间距b大于2mm；主力矩梁(5)和次力矩梁(6)径向穿过运动槽的连接部位与运动槽前后两侧间距c大于2mm；支杆(9)前端上下平面与主力矩梁(5)和次力矩梁(6)的间距d大于1.5mm。