CN110207935A - 一种快速改变模型姿态角的试验机构 - Google Patents

Abstract

一种快速改变模型姿态角的试验机构，包括：连接于风洞试验段壳体的连接盖板和下连接座；在连接盖板和下连接座之间固连的弯刀机构；弯刀机构侧面固连的弧形导轨；弯刀机构后面通过连接装置与试验段壳体固连的导向杆；连接盖板上固连的正弦发生器及驱动电机；连接盖板下侧连接的上摆杆；导向杆上安装的推杆；弧形导轨上连接的下摆杆；下摆杆末端连接的支杆、测量天平和模型；本发明通过电机驱动可以实现飞行器模型的大幅度的俯仰振荡，通过测试天平测量飞行器大幅度俯仰振荡状态的动态气动特性，能够满足高速风洞的试验要求，具有急回特性小、振幅调节方便、定位精度高、支撑干扰小等特点。

Description

一种快速改变模型姿态角的试验机构

技术领域

本发明涉及一种改变模型姿态角的试验机构，用于航天航空飞行器的大迎角非定常风洞试验，属于高速风洞试验技术、飞行器飞行力学领域。

背景技术

随着航空航天技术的发展，现代战斗机要求很高的机动能力,因此飞机的大迎角非定常空气动力特性是至关重要的。当前理论计算还不能很好地解决这类问题,它的研究方法主要靠风洞实验模拟。

国内从20世纪80年代飞行器的动态试验技术研究，在低速风洞和高速风洞相应建立了俯仰振荡试验机构。

图5是高速风洞的俯仰振荡试验机构，机构由电机309驱动，通过传动轮310、皮带带动飞轮311转动。由偏心轮、推杆和转窗313组成四杆机构312运动系统，将飞轮转动变为内外窗同步的往返振荡。在内转窗上由摇臂303、横梁305和支杆306组成的π形支架与转窗313同步运动。支杆306上安装有天平并以尾支撑形式支撑模型，使模型进行纯俯仰振荡运动。在机构运转时，π形支架的横梁会在风洞中绕转心上下高速摆动，并且其运动方向基本是垂直于气流方向，在高速风洞试验中，其对试验的干扰比较大；高速风洞试验时，气流速度高，风洞流场内机构的载荷大，由于π形支架刚度较弱，在高速摆动中会造成模型姿态的角度失真，试验中耦合了气动力的影响，该角度失真无法进行修正，如此带来试验数据的误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种快速改变模型姿态角的试验机构，机构采用正弦发生器将电机的连续转动转化正弦振动，通过上摇杆、推杆、下摇杆和支杆天平推动飞行器模型在风洞中做正弦振动，实现对飞行器大幅度俯仰振荡状态的动态气动特性的测量，该机构适用于高速风洞中大幅俯仰振荡的风洞试验。

本发明的技术解决方案是：一种快速改变模型姿态角的试验机构，包括连接盖板、弯刀机构、弧形导轨、下连接座、连接装置、导向杆、正弦发生器、驱动电机、上摆杆、第二转接件、推杆、下摆杆、天平；正弦发生器包括外壳体、传动轴、飞轮、第一转接件、横向摆杆；

弧形导轨固连在弯刀机构上，弯刀机构两端分别与连接盖板和下连接座固连，连接盖板和下连接座分别与风洞外壳体固连；驱动电机与正弦发生器外壳体固连，正弦发生器外壳体固连在连接盖板上；导向杆上下端分别通过连接装置与风洞外壳体固连；

驱动电机的输出端连接传动轴，传动轴上安装飞轮，飞轮上安装第一转接件，第一转接件安装在横向摆杆一侧的竖直轨道上；横向摆杆一端设置横杆与正弦发生器外壳体配合，实现横向往复运动，另一端与上摆杆通过外啮合的齿条配合；推杆沿导向杆上下移动，上摆杆一端通过第二转接件安装在推杆上，上摆杆另一端绕固定在弯刀机构上部的上摆杆旋转中心旋转；下摆杆一端通过另一个第二转接件安装在推杆上，位于上摆杆下方，下摆杆另一端通过支杆连接天平，天平安装在模型内；下摆杆通过滑块在弧形导轨上滑动。

弯刀机构为圆弧形板，侧面固连的弧形导轨为一条或多条；当弯刀机构上设置多条弧形导轨时，多条弧形导轨的旋转中心重合。

横向摆杆包括纵向杆、横杆、竖直轨道、直齿条，纵向杆一端设置两条与纵向杆垂直的横杆，横杆安装在正弦发生器外壳体上，沿正弦发生器外壳体上的安装卡槽做往复运动；纵向杆另一端设置直齿条；竖直轨道设置在纵向杆一侧。

第一转接件中部设置转动装置，绕自身轴线旋转。

飞轮上按距其转心不同距离设置多个第一转接件安装孔，用于调整所述试验机构的振幅。

上摆杆为直角三角形框架结构，上摆杆旋转中心设置在直角顶点上；上摆杆旋转中心与弧形导轨旋转中心的连线与导向杆平行；上摆杆的一个锐角顶点处设置弧形齿条，与横向摆杆的直齿条外啮合；上摆杆的一个锐角顶点端设置横向轨道，第二转接件在横向轨道上滑动。

上摆杆的弧形齿条与横向摆杆的直齿条采用双弧形齿条单直齿条、单弧形齿条双直齿条或双弧形齿条双直齿条结构。

第二转接件中部设置转动装置，绕自身轴线旋转。

导向杆为光杆或直线导轨，如果导向杆是光杆则连接装置需对光杆施加预紧力。

驱动电机驱动飞轮做圆周运动，飞轮通过第一转接件将圆周运动转化横向摆杆的直线往返的正弦运动，横向摆杆通过齿条配合将直线往返运动转化为上摆杆绕上摆杆旋转中心的正弦摆动，上摆杆通过第二转接件将正弦摆动转化为推杆沿导向杆的直线运动，并通过另一个第二转接件将推杆沿导向杆的直线运动转化为下摆杆绕弧形导轨旋转中心的正弦角度变化，使得模型随下摆杆绕弧形导轨旋转中心做正弦的角度运动。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明的快速改变模型姿态角的试验机构，满足高速度、高刚度、高位置精度的要求，能够实现在线测量。

(2)本发明的试验机构采用正弦发生器机构，具有急回特性小的特点，同时机构的振幅调节方便。

(3)本发明的试验机构，试验段流场内的运动运动部件仅有模型支杆、下摆杆和推杆，其余部件均在流场外，推杆位于弯刀机构后方，对试验结果干扰小。

(4)本发明的试验机构，与试验段连接均为螺栓连接，对试验段结构依赖性小，对风洞原有设备影响小，结构破坏小。

(5)本发明的试验机构，在试验结束后可整体更换，操作方便，使用效率高。

附图说明

图1是本发明所述的快速改变模型姿态角试验机构的结构示意图；

图2是本发明所述的正弦发生器的结构示意图；

图3是本发明所述的正弦发生器横向摆杆和上摇杆连接的结构示意图；

图4是本发明所述的上摆杆与推杆连接的结构示意图。

图中标记如下：

101-试验段壳体，102-连接盖板，103-下连接座，104-弯刀机构，105-弧形导轨，106-连接装置，107-导向杆，108-正弦发生器，109-驱动电机，110-上摆杆，111-推杆，112-下摆杆，113-支杆，114-天平，115-模型，116-传动轴，117-飞轮，118-第一转接件，119-横向摆杆，120-横向摆杆上的竖直轨道，121-第一转接件安装孔，122-横向摆杆上的直齿条，123-上摆杆上的弧形齿条，124-上摆杆旋转中心，125-第二转接件，126-上摆杆末端的横向轨道。

图5是现有技术中在高速风洞使用的大幅运动机构示意图。

图中标记如下：

301-试验段驻室，302-光学玻璃，303-摇臂，304-试验段，305-横梁，306-支杆，307-编码器，308-齿轮组，309-电机，310-传动轮，311-飞轮，312-丝杆机构，313-转窗，314-模型。

具体实施方式

本发明为一种快速改变模型姿态角的试验机构，通过机构的快速驱动，使得飞行器模型在风洞中做大幅度的正弦振动，通过测试天平对飞行器模型的气动力数据进行采集，实现对飞行器大幅度俯仰振荡状态的动态气动特性的测量。该机构具有高刚度、高位置精度、急回特性小以及振幅调节方便等特点，适用于高速风洞中大幅俯仰振荡的风洞试验，属于高速风洞试验技术、飞行器飞行力学领域。

如图1、图2、图3和图4所示，一种快速改变模型姿态角的试验机构有固定装置和运动装置两大部分，固定装置对整个系统起支撑作用，运动装置可进行机械动力的转化实现模型姿态的快速变化。固定装置有连接盖板102、弯刀机构104、弧形导轨105、下连接座103、连接装置106、导向杆107、正弦发生器108外壳体和驱动电机109；运动装置有正弦发生器108的传动轴116、飞轮117、第一转接件118、横向摆杆119，上摆杆110，第二转接件125，推杆111，下摆杆112，天平114。固定装置中的弧形导轨105固连于弯刀机构104上，弯刀机构104上下部分分别与连接盖板102和下连接座103固连，连接盖板102和下连接座103分别与风洞外壳体101固连；驱动电机109与正弦发生器108外壳体固连，正弦发生器108外壳体固连于连接盖板102上；导向杆107上下端分别通过连接装置106与风洞外壳体101固连。固定装置可以对试验机构的运动部件进行支撑，提高系统的刚度和稳定性。

驱动电机109的输出端连接传动轴116，传动轴116上安装飞轮117，飞轮117上安装第一转接件118，第一转接件118安装在横向摆杆119一侧的竖直轨道120上；横向摆杆119一端设置横杆与正弦发生器108外壳体配合，实现横向往复运动，另一端与上摆杆110通过外啮合的齿条配合；推杆111沿导向杆107上下移动，上摆杆110一端通过第二转接件125安装在推杆111上，上摆杆110另一端绕固定在弯刀机构104上部的上摆杆110旋转中心124旋转；下摆杆112一端通过另一个第二转接件125安装在推杆111上，位于上摆杆110下方，下摆杆112另一端通过支杆113连接天平114，天平114安装在模型115内；下摆杆112通过滑块在弧形导轨105上滑动。

机械运行的传递与转化通过以下部分实现:驱动电机109驱动飞轮117做高速圆周运动，飞轮117通过第一转接件118将圆周运动转化横向摆杆119的直线往返的正弦运动，横向摆杆119通过齿轮齿条将直线往返运动转化为上摆杆110绕其旋转中心124的正弦摆动，上摆杆110通过第二转接件125将正弦摆动转化为推杆111沿导向杆107的直线运动，通过与下摆杆112连接的具有第二转接件125相同结构的转接件，将推杆111沿导向杆107的直线运动转化为下摆杆112绕弧形导轨105旋转中心的正弦角度变化，模型115通过天平114支杆113与下摆杆112固连，模型115也随下摆杆112绕弧形导轨105旋转中心做正弦的角度运动。

弯刀机构104为圆弧形板，弯刀机构104侧面固连的弧形导轨105为1条或多条，多条弧形导轨105的旋转中心重合，下摆杆112通过滑块可在弧形导轨105上滑动。

横向摆杆119包括纵向杆、横杆、竖直轨道120、直齿条122，纵向杆一端设置两条与纵向杆垂直的横杆，横杆安装在正弦发生器108外壳体上，沿正弦发生器108外壳体上的安装卡槽做往复运动；纵向杆另一端设置直齿条122；竖直轨道120设置在纵向杆一侧。正弦发生器108中飞轮117与横向摆杆119通过第一转接件118连接，第一转接件118一端与飞轮117固连，第一转接件118另一端可在横向摆杆119上设有的竖直轨道120上滑动，第一转接件118中间设转动装置，可绕自身轴线旋转。飞轮117上按距其转心不同距离设置第一转接件安装孔121，调整第一转接件118的安装位置可以调整机构的振幅。

导向杆107上下端与风洞壳连接，导向杆107可以是光杆或直线导轨，如果是光杆则连接装置106需对光杆施加预紧力，提高光杆的抗弯能力。

上摆杆110为直角三角形框架结构，上摆杆110旋转中心124设置在直角顶点上；上摆杆110旋转中心124与弧形导轨105旋转中心的连线与导向杆107平行；上摆杆110的一个锐角顶点处设置弧形齿条123，与横向摆杆119的直齿条122外啮合；上摆杆110的一个锐角顶点端设置横向轨道126，第二转接件125在横向轨道126上滑动。上摆杆110与正弦发生器108横向摆杆119采用齿轮齿条啮合结构，上摆杆110设弧形齿条123形式，正弦发生器108横向摆杆119设直齿条122形式，齿轮齿条连接采用双弧形齿条单直齿条、单弧形齿条双直齿条或双弧形齿条双直齿条结构消除连接的回程间隙。

上摆杆110可绕其旋转中心124转动，上摆杆110旋转中心124与弧形导轨105旋转中心的连线与导向杆107平行。

上摆杆110与推杆111连接处设有第二转接件125，第二转接件125一端与推杆111一端固连，另一端可在上摆杆110末端设有的横向轨道126上滑动，第二转接件125中间设转动装置，可适应上摆杆110与导向杆107在运行中的角度变化。下摆杆112与推杆111连接处设有相同的第二转接件125。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

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 (10)

1.一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于，包括连接盖板(102)、弯刀机构(104)、弧形导轨(105)、下连接座(103)、连接装置(106)、导向杆(107)、正弦发生器(108)、驱动电机(109)、上摆杆(110)、第二转接件(125)、推杆(111)、下摆杆(112)、天平(114)；正弦发生器(108)包括外壳体、传动轴(116)、飞轮(117)、第一转接件(118)、横向摆杆(119)；

弧形导轨(105)固连在弯刀机构(104)上，弯刀机构(104)两端分别与连接盖板(102)和下连接座(103)固连，连接盖板(102)和下连接座(103)分别与风洞外壳体(101)固连；驱动电机(109)与正弦发生器(108)外壳体固连，正弦发生器(108)外壳体固连在连接盖板(102)上；导向杆(107)上下端分别通过连接装置(106)与风洞外壳体(101)固连；

驱动电机(109)的输出端连接传动轴(116)，传动轴(116)上安装飞轮(117)，飞轮(117)上安装第一转接件(118)，第一转接件(118)安装在横向摆杆(119)一侧的竖直轨道(120)上；横向摆杆(119)一端设置横杆与正弦发生器(108)外壳体配合，实现横向往复运动，另一端与上摆杆(110)通过外啮合的齿条配合；推杆(111)沿导向杆(107)上下移动，上摆杆(110)一端通过第二转接件(125)安装在推杆(111)上，上摆杆(110)另一端绕固定在弯刀机构(104)上部的上摆杆(110)旋转中心(124)旋转；下摆杆(112)一端通过另一个第二转接件(125)安装在推杆(111)上，位于上摆杆(110)下方，下摆杆(112)另一端通过支杆(113)连接天平(114)，天平(114)安装在模型(115)内；下摆杆(112)通过滑块在弧形导轨(105)上滑动。

2.根据权利要求1所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：弯刀机构(104)为圆弧形板，侧面固连的弧形导轨(105)为一条或多条；当弯刀机构(104)上设置多条弧形导轨(105)时，多条弧形导轨(105)的旋转中心重合。

3.根据权利要求2所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：横向摆杆(119)包括纵向杆、横杆、竖直轨道(120)、直齿条(122)，纵向杆一端设置两条与纵向杆垂直的横杆，横杆安装在正弦发生器(108)外壳体上，沿正弦发生器(108)外壳体上的安装卡槽做往复运动；纵向杆另一端设置直齿条(122)；竖直轨道(120)设置在纵向杆一侧。

4.根据权利要求3所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：第一转接件(118)中部设置转动装置，绕自身轴线旋转。

5.根据权利要求4所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：飞轮(117)上按距其转心不同距离设置多个第一转接件安装孔(121)，用于调整所述试验机构的振幅。

6.根据权利要求3所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：上摆杆(110)为直角三角形框架结构，上摆杆(110)旋转中心(124)设置在直角顶点上；上摆杆(110)旋转中心(124)与弧形导轨(105)旋转中心的连线与导向杆(107)平行；上摆杆(110)的一个锐角顶点处设置弧形齿条(123)，与横向摆杆(119)的直齿条(122)外啮合；上摆杆(110)的一个锐角顶点端设置横向轨道(126)，第二转接件(125)在横向轨道(126)上滑动。

7.根据权利要求6所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：上摆杆(110)的弧形齿条(123)与横向摆杆(119)的直齿条(122)采用双弧形齿条单直齿条、单弧形齿条双直齿条或双弧形齿条双直齿条结构。

8.根据权利要求6所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：第二转接件(125)中部设置转动装置，绕自身轴线旋转。

9.根据权利要求1所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：导向杆(107)为光杆或直线导轨，如果导向杆(107)是光杆则连接装置(106)需对光杆施加预紧力。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种快速改变模型姿态角的试验机构，其特征在于：驱动电机(109)驱动飞轮(117)做圆周运动，飞轮(117)通过第一转接件(118)将圆周运动转化横向摆杆(119)的直线往返的正弦运动，横向摆杆(119)通过齿条配合将直线往返运动转化为上摆杆(110)绕上摆杆(110)旋转中心(124)的正弦摆动，上摆杆(110)通过第二转接件(125)将正弦摆动转化为推杆(111)沿导向杆(107)的直线运动，并通过另一个第二转接件(125)将推杆(111)沿导向杆(107)的直线运动转化为下摆杆(112)绕弧形导轨(105)旋转中心的正弦角度变化，使得模型(115)随下摆杆(112)绕弧形导轨(105)旋转中心做正弦的角度运动。