CN109883642B - 一种低速飞行器车载测力系统 - Google Patents

Abstract

一种低速飞行器车载测力系统，包括：测试台架(1)、姿态调整单元(2)、模型支撑单元(3)、气动参数测量单元(4)、六分量测力天平(5)；测试台架(1)固定在汽车车斗内，姿态调整单元(2)与测试台架(1)固定连接，模型支撑单元(3)与所述姿态调整单元(2)固定连接，模型支撑单元(3)的上方安装一只六分量测力天平(5)，该天平与被测模型连接固定，实现对被测模型三维方向上的力和力矩的测量；气动参数测量单元(4)固定位置与被测模型的高度一致且水平距离400～500mm，被测模型在姿态调整单元的作用下实现俯仰、偏航方向姿态的改变，气动参数测量单元(4)测量被测模型在不同状态下的气动力参数。

Description

一种低速飞行器车载测力系统

技术领域

本发明涉及一种低速模型车载测力系统，主要适用于低速飞行器研制阶段的气动载荷测试从而实现对飞行器进行气动选型、尺寸参数优化、气动特性评估等功能。

背景技术

对于小尺寸低速飞行器而言，其飞行的低雷诺数效应较为显著，并且在外形尺寸大小和动力装置性能的严格限制下，要求尽量较长的航时和航程，对相关气动设计问题构成了一定挑战。

针对研制初期低速飞行器飞行的气动载荷测量问题，目前常用的主要手段有三类：1、将全尺寸模型或是缩比模型放入风洞、试验台等试验系统中进行飞行环境模拟，利用载荷测试设备对模型气动载荷进行测量；2、利用数值模拟方法，通过建立三维CAD数模，运用三维流动控制方程求解模型空间流场，从而得到模型气动载荷参数；3、利用验证机进行真实飞行，在各种飞行条件和各种运动工况条件下进行气动载荷参数辨识的飞行试验。风洞试验多适用于低速飞行器早期研制，可以进行飞行流场模拟，但是受限于风洞试验段尺寸，往往只能进行缩比模型试验，而且试验机构复杂、流场环境单一、流场干扰较大，增加了系统误差；数值模拟技术通过计算程序模拟飞行流场，计算网格分布、计算格式精度等因素会对模拟结果的精准性带来影响；真实飞行试验得到的试验数据可靠性好，但是成本极高，而且试验周期相对较长，与其配套的测试方法机构复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种薄管内部可变质量配重及质量调整方法，可以在地面试验之后简单方便地进行模型的配重调节，从而实现降低模型设计难度、增加模型设计准确率和成功率等优点。

本发明的技术解决方案是：一种低速飞行器车载测力系统，包括：测试台架、姿态调整单元、模型支撑单元、气动参数测量单元、六分量测力天平；

测试台架固定在汽车车斗内，姿态调整单元与测试台架固定连接，模型支撑单元与所述姿态调整单元固定连接，模型支撑单元的上方安装一只六分量测力天平，该天平与被测模型连接固定，实现对被测模型三维方向上的力和力矩的测量；气动参数测量单元固定位置与被测模型的高度一致且水平距离400～500mm，被测模型在姿态调整单元的作用下实现俯仰、偏航方向姿态的改变，气动参数测量单元测量被测模型在不同状态下的气动力参数。

优选的，所述测试台架包括上板、下板及支撑柱，每个支撑柱下方各设置一个弹簧减震器；

所述的下板固定在汽车车斗内部；姿态调整单元位于上下板之间且固定安装在上板的下侧；所述的上板上设置圆孔，与姿态调整单元固定连接的模型支撑单元从所述圆孔穿出；上板前缘倒圆角，并布置高度高于汽车车箱顶部。

优选的，当车速0～40m/s时，所述的上板距离汽车车厢顶部的距离200～400mm，被测模型与上板之间的距离为0.8～2m。

优选的，所述姿态调整单元包括偏航运动机构和俯仰运动机构；俯仰运动机构吊挂于偏航运动机构下方，可与偏航运动机构一同偏转；模型支撑单元固定在俯仰运动机构上；偏航运动机构与测试台架连接。

优选的，所述偏航运动机构包括驱动电机、滚轮、齿圈、转接工装、固定板及转台轴承；

固定板与测试台架固定，驱动电机、滚轮均固定在所述固定板上，由驱动电机驱动滚轮旋转，滚轮与齿圈啮合，齿圈上表面通过转接工装与转台轴承连接固定，下表面与俯仰运动机构连接固定，转台轴承固定在测试台架的上板圆孔内。

优选的，所述齿圈转动的速度3～6°/s。

优选的，所述的俯仰运动机构包括线性导轨模组，连接轴、支撑平台，四组直线导轨和吊篮；

吊篮与偏航运动机构连接；线性导轨模组安装在吊篮的底面上，四组直线导轨两两一组，分别斜装在吊篮的两个侧壁上，连接轴的一端与线性导轨模组铰接，另一端铰接在支撑平台上，直线导轨的滑块通过轴承座固接在支撑平台上；当连接轴在线性导轨模组上直线运动时，带动支撑平台沿两侧对称斜装的直线导轨运动，进而改变支撑平台的俯仰姿态。

优选的，吊篮一侧斜装的直线导轨之间的夹角的中心线与俯仰角为0°时的支撑平台垂直。

优选的，所述的俯仰运动机构包括线性导轨模组，连接轴、支撑平台，两组弧形导轨和吊篮；吊篮与偏航运动机构连接；线性导轨模组安装在吊篮的底面上，四组弧形导轨分别安装在吊篮的两个侧壁上，连接轴的一端与线性导轨模组铰接，另一端铰接在支撑平台上，每个弧形导轨上的两个滑块通过轴承座固接在支撑平台上；当连接轴在线性导轨模组上直线运动时，带动支撑平台沿弧形导轨运动，进而改变支撑平台的俯仰姿态。

优选的，支撑平台的俯仰角调节速度3～6°/s，调节范围为-20°～+20°。

优选的，所述模型支撑单元包括：模型支撑杆外罩、模型支撑杆以及天平转接工装；模型支撑杆一端固装在姿态调整单元上，另一端固定天平转接工装，天平转接工装的锥段与六分量测力天平配合连接并拉紧；模型支撑杆外罩罩在模型支撑杆外围且不与模型支撑杆接触，模型支撑杆外罩一端固装在姿态调整单元，模型支撑杆外罩低于被测模型的下缘。

优选的，所述的模型支撑杆及模型支撑杆外罩超出测试台架的部分为异形杆，所述的异形杆截面为光滑的封闭曲面，且迎风面的曲率半径大于背风面。

优选的，所述气动参数测量单元包括七孔探针及探针支架，用于测量和采集测试模型气动参数，包括风速、风向；七孔探针安装于探针支架上，探针支架固定于模型支撑单元上，保证七孔探针平行于测试模型布置，布置高度与测试模型高度保持一致。

本发明的工作原理是：通过机电搭建，使用专用车辆搭载飞行器模型模拟真实飞行状态，通过模拟风轴系下模型运动速度、姿态角等运动参数，并使用应变天平进行模型气动载荷的测量，使用七孔探针或五孔探针进行来流风矢量的控制和调节，由测试得到的来流参数、气动载荷数据生成最终的气动特性参数。

使用全尺寸飞行器在地面模拟飞行状态的试验，能够中分利用系统各种动力学(气动、结构、伺服)的条件，使得试验的逼真度更加接近实际飞行，同时也能有效的控制试验风险，避免了因缩比模型、改型模型导致测量不准确，同时降低了试验的难度。

本发明与现有技术相比有益效果为：

本发明提出了一种除风洞试验以外的试验机构，能够作为一种模拟真实飞行状态的新方法，可使用全尺寸模型进行飞行状态模拟，模拟的空间流场接近真实飞行流场，相比于飞行试验，易于获得气动载荷数据以及飞行状态参数，通过研发专用测力机构、测力传感器和测试系统，可以获得飞行器飞行过程中受到的各种力学及其他载荷特性，为总体部门提供准确、可靠的气动力载荷数据。

本发明利用皮卡车的运动为试验提供相对稳定的气流，通过七孔探针测得的来流风矢量经控制系统可控制偏航运动机构和俯仰运动机构，使其对飞行器在试验过程中的飞行状态进行自动调节，实现两个自由度的精确调整，并使用弹身六分量测力天平对低速飞行器的气动力进行精确测量，确保试验的精准度。

使用全尺寸飞行器在地面模拟飞行状态的试验，能够中分利用系统各种动力学(气动、结构、伺服)的条件，使得试验的逼真度更加接近实际飞行，同时也能有效的控制试验风险，避免了因缩比模型、改型模型导致测量不准确，同时降低了试验的难度，与风洞试验相比能够节省大量的时间和经费。。

本发明在方案设计阶段，通过CFD评估对来流条件下的测试平台各部件的尺寸参数进行优化设计，确定试验方案的可行性，以达到模拟接近真实飞行流场的目的，经计算，当车速0～40m/s时，测试台架的上板距离汽车车厢顶部的距离200～400mm，被测模型与上板之间的距离为0.8～2m，此时模型受测试系统带来的气流影响最小，使测试更准确。

本发明将气动参数测量单元与被测模型水平放置且一同运动，使测量结果更接近被测模型的气动力参数，又将两者水平距离设计为400～500mm，经CFD评估，此设计既能保证气动参数测量的准确性，又能防止模型周围的气流对探针的干扰。

本发明将模型支撑单元固定在俯仰运动机构上，俯仰运动机构吊挂于偏航运动机构下方，可与偏航运动机构一同偏转，且俯仰及偏航运动机构的调节速度均为3～6°/s，实现了实时稳定地完成各种姿态调节的功能。。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图；

图2为本发明测试台架示意图；

图3为本发明姿态调整系统示意图；

图4为本发明偏航运动机构示意图；

图5a、5b为本发明俯仰运动机构示意图；

图6为本发明模型支撑系统示意图；

图7为本发明无气动参数测量系统示意图；

图8为本发明六分量测力天平示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

本发明针对低速飞行器测试技术，研制一种低速模型车载测力系统，将其搭载在皮卡车上，可实现对飞行器模型进行飞行姿态和空间流场模拟。

如图1所示，本发明提出了一种低速模型车载测力系统，包括：测试台架1、姿态调整单元2、模型支撑单元3、气动参数测量单元4、六分量测力天平5。

测试台架1固定在汽车车斗内，姿态调整单元2与测试台架1上板面固定连接，并悬挂于测试台架1上板面的下侧，模型支撑单元3与该姿态调整单元2固定连接，并从测试台架1上板面圆孔穿出，模型支撑单元3的上方安装一只六分量测力天平5，该天平与被测模型连接固定，实现对被测模型三维方向上的力和力矩的测量，气动参数测量系统固定在模型支撑杆的一侧，并与模型的高度保持一致，水平距离约为400～500mm，可测量模型在不同状态下的气动力参数。

如图2所示，本发明测力系统的测试台架1由上板11、下板14及支撑柱12组成，每个支撑柱下方各设置一个弹簧减震器13，弹簧减震器13承重载荷为单只500Kg，能够抵消一部分因汽车颠簸对测试结果带来的影响。测试台上板11面前缘倒圆角，并布置于皮卡车车箱上部，距离车厢顶部距离约为200～400mm，以防止测试时测试台架前缘气流对模型的影响，测试台下板面布置于皮卡车车斗内部，用螺栓固定并用绳索拉紧。

如图3所示，本发明测力系统中的姿态调整单元包括偏航运动机构6和俯仰运动机构7。俯仰运动机构7吊挂于偏航运动机构6下方，可与偏航运动机构6一同偏转；模型支撑单元3固定在俯仰运动机构7上；偏航运动机构6与测试台架1连接。

如图4所示，偏航运动机构6由六部分构成：驱动电机21、滚轮22、齿圈23、转接工装24、固定板25及转台轴承26，偏航运动机构与测试台架上板连接，使用伺服电动机(驱动电机)可驱动滚轮22旋转，滚轮22与齿圈23高精度啮合，齿圈23上表面通过转接工装24与转台轴承26连接固定，转台轴承26固定在测试台架的上板圆孔内；齿圈23下表面与俯仰运动机构连接固定，滚轮的旋转带动齿圈，实现了模型偏航的高精度调节，调节准度和精度都在3′之内。调节范围为±90°，转角速度为5°/s，能够保证在有限的试验时间内完成各种偏角的试验。

如图5a、5b所示，俯仰运动机构7吊挂于偏航运动机构下方，可与偏航运动机构一同偏转。俯仰运动机构主要由四部分组成，包括线性导轨模组34，连接轴35及支撑平台32，四组直线导轨33和吊篮31。吊篮31与偏航运动机构连接；线性导轨模组34安装在吊篮31的底面上，四组直线导轨33两两一组，分别斜装在吊篮31的两个侧壁上，连接轴35的一端与线性导轨模组34铰接，另一端铰接在支撑平台32上，直线导轨33的滑块通过轴承座固接在支撑平台32上；使用线性导轨模组34可驱动支撑平台在四根直线导轨上做钟摆运动，实现了模型的俯仰姿态调节，俯仰角调节速度为5°/s，调节范围为-20°～+20°，调节准度和精度都在3′之内。吊篮一侧斜装的直线导轨之间的夹角的中心线与俯仰角为0°时的支撑平台垂直。

上述方案中的四组直线导轨可以采用两个弧形导轨进行替代，每个弧形导轨上的两个滑块通过轴承座固接在支撑平台32上；当连接轴35在线性导轨模组34上直线运动时，带动支撑平台32沿弧形导轨运动，进而改变支撑平台32的俯仰姿态。

如图6所示，本发明测力系统中的模型支撑单元包括：模型支撑杆42、模型支撑杆外罩41以及天平转接工装43。

模型支撑杆42一端固装在姿态调整单元2上，另一端固定天平转接工装43，天平转接工装43的锥段与六分量测力天平5配合连接并拉紧；模型支撑杆外罩41罩在模型支撑杆42外围且不与模型支撑杆42接触，模型支撑杆外罩41一端固装在姿态调整单元2上，模型支撑杆外罩41低于被测模型的下缘。模型支撑杆42及模型支撑杆外罩41超出测试台架1的部分为异形杆，以减小模型支撑杆气流对模型测试结果的影响；天平转接工装固定在模型支撑杆上，其锥段与六分量测力天平配合连接，并用楔子拉紧。所述的异形杆截面为光滑的封闭曲面，且迎风面的曲率半径大于背风面。

如图7所示，本发明测力系统中的气动参数测量单元4包括七孔探针51及探针支架52，用于测量和采集测试模型气动参数，包括风速、风向。七孔探针51安装于探针支架52上，探针支架采用矩形方管，固定于模型支撑杆外罩上，保证七孔探针平行于测试模型布置，布置高度与测试模型高度保持一致。

如图8所示，本发明测力系统中的六分量测力天平5的锥孔端与天平转接工装43配合连接，六分量测力天平5的锥端与模型配合连接，该六分量测力天平5可以测量模型在测试过程中所受到的三维方向上的三个力和三个力矩。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种低速飞行器车载测力系统，其特种在于包括：测试台架（1）、姿态调整单元（2）、模型支撑单元（3）、气动参数测量单元（4）、六分量测力天平（5）；

测试台架（1）固定在汽车车斗内，姿态调整单元（2）与测试台架（1）固定连接，模型支撑单元（3）与所述姿态调整单元（2）固定连接，模型支撑单元（3）的上方安装一只六分量测力天平（5），该天平与被测模型连接固定，实现对被测模型三维方向上的力和力矩的测量；气动参数测量单元（4）固定位置与被测模型的高度一致且水平距离400~500mm，被测模型在姿态调整单元的作用下实现俯仰、偏航方向姿态的改变，气动参数测量单元（4）测量被测模型在不同状态下的气动力参数；

所述姿态调整单元（2）包括偏航运动机构（6）和俯仰运动机构（7）；俯仰运动机构（7）吊挂于偏航运动机构（6）下方，可与偏航运动机构（6）一同偏转；模型支撑单元（3）固定在俯仰运动机构（7）上；偏航运动机构（6）与测试台架（1）连接；

所述的俯仰运动机构（7）包括线性导轨模组（34），连接轴（35）、支撑平台（32），四组直线导轨（33）和吊篮（31）；

吊篮（31）与偏航运动机构连接；线性导轨模组（34）安装在吊篮（31）的底面上，四组直线导轨（33）两两一组，分别斜装在吊篮（31）的两个侧壁上，连接轴（35）的一端与线性导轨模组（34）铰接，另一端铰接在支撑平台（32）上，直线导轨（33）的滑块通过轴承座固接在支撑平台（32）上；当连接轴（35）在线性导轨模组（34）上直线运动时，带动支撑平台（32）沿两侧对称斜装的直线导轨运动，进而改变支撑平台（32）的俯仰姿态；吊篮一侧斜装的直线导轨之间的夹角的中心线与俯仰角为0°时的支撑平台垂直；

所述模型支撑单元（3）包括：模型支撑杆外罩（41）、模型支撑杆（42）以及天平转接工装（43）；

模型支撑杆（42）一端固装在姿态调整单元（2）上，另一端固定天平转接工装（43），天平转接工装（43）的锥段与六分量测力天平（5）配合连接并拉紧；模型支撑杆外罩（41）罩在模型支撑杆（42）外围且不与模型支撑杆（42）接触，模型支撑杆外罩（41）一端固装在姿态调整单元（2）上，模型支撑杆外罩（41）低于被测模型的下缘。

2.根据权利要求1所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：所述测试台架（1）包括上板（11）、下板（14）及支撑柱（12），每个支撑柱（12）下方各设置一个弹簧减震器（13）；

所述的下板（14）固定在汽车车斗内部；姿态调整单元（2）位于上下板之间且固定安装在上板的下侧；所述的上板上设置圆孔，与姿态调整单元（2）固定连接的模型支撑单元（3）从所述圆孔穿出；上板前缘倒圆角，并布置高度高于汽车车厢顶部。

3.根据权利要求2所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：当车速0~40m/s时，所述的上板距离汽车车厢顶部的距离200~400mm，被测模型与上板之间的距离为0.8~2m。

4.根据权利要求1所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：所述偏航运动机构（6）包括驱动电机（21）、滚轮（22）、齿圈（23）、转接工装（24）、固定板（25）及转台轴承（26）；

固定板（25）与测试台架（1）固定，驱动电机（21）、滚轮（22）均固定在所述固定板（25）上，由驱动电机（21）驱动滚轮（22）旋转，滚轮（22）与齿圈（23）啮合，齿圈（23）上表面通过转接工装（24）与转台轴承（26）连接固定，下表面与俯仰运动机构连接固定，转台轴承（26）固定在测试台架的上板圆孔内。

5.根据权利要求4所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：所述齿圈（23）转动的速度3~6°/s。

6.根据权利要求1所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：支撑平台（32）的俯仰角调节速度3~6°/s，调节范围为-20°~+20°。

7.根据权利要求1所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：所述的模型支撑杆（42）及模型支撑杆外罩（41）超出测试台架（1）的部分为异形杆，所述的异形杆截面为光滑的封闭曲面，且迎风面的曲率半径大于背风面。

8.根据权利要求1所述的一种低速飞行器车载测力系统，其特征在于：所述气动参数测量单元（4）包括七孔探针（51）及探针支架（52），用于测量和采集测试模型气动参数，包括风速、风向；七孔探针（51）安装于探针支架（52）上，探针支架（52）固定于模型支撑单元上，保证七孔探针平行于测试模型布置，布置高度与测试模型高度保持一致。

Images