CN110562484B - 用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置 - Google Patents

Abstract

用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置，涉及航空航天域。现有的单轴旋翼飞行器中的旋翼无法实现火星环境的飞行及定点着陆，适用性差且飞行效率极低。本装置包括单轴旋翼模块、动力模块和测量模块，动力模块中的交流伺服电机通过挠性联轴器带动传动轴旋转，传动轴带动浆叶旋转，电机编码器对交流伺服电机的转速进行检测，通过自反馈调节电源电压并修正交流伺服电机的转速，保证浆叶运动转速与工作人员要求的转速值一致，拉力传感器用于测量旋翼的升力，扭矩传感器用于测量旋翼的扭矩。本发明主要用于优选出最适合火星的旋翼。

Description

用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置

技术领域

本发明涉及航空航天域，尤其涉及一种用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置。

背景技术

火星在太阳系中位置与地球相邻，且具有与地球极其相似的物理环境。大量研究表明火星曾存在大量的液态水等生命必须的物质，因此火星探测任务能够拓展人类的生存空间并探索生命的起源，极大地推进人类的科学研究进程。目前对于火星的探测仍处于火星漫游车探测阶段。火星飞行器可在火星表面一定高度飞行获得较高分辨率的影像，同时为火星车提供较远的视野从而为其导航。这不仅保证了火星车在复杂火星地形环境中的安全，也使得火星探测任务具有更高的效率。

现有适用于地球环境的单轴旋翼飞行器具有定点起飞降落的优势，针对定点着陆的特点，单轴旋翼飞行器可以进行地球表面土壤原位采样后返回，以进行土壤样品分析，如果将其这个功能应用在火星上，这对人类探测火星具有重要的实用价值，但是火星稀薄且寒冷的大气使得旋翼式飞行器中的旋翼(桨叶)表面为低雷诺数和高马赫数状态，这对旋翼(桨叶)的空气动力学性能提出了更高的要求，现有的单轴旋翼飞行器中的旋翼(桨叶)无法实现火星环境的飞行及定点着陆，适用性差且飞行效率极低，进而需一种测试装置以优选出最适合火星低雷诺数环境下的单轴旋翼配置系统。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的单轴旋翼飞行器中的旋翼(桨叶)无法实现火星环境的飞行及定点着陆，适用性差且飞行效率极低；进而提供一种用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

所述的悬停特性测试装置包括单轴旋翼模块1、动力模块2和测量模块3；

单轴旋翼模块1包括传动轴1-1、碳纤维桨叶夹1-2和两片桨叶1-3，碳纤维桨叶夹1-2固定安装在传动轴1-1的顶端，碳纤维桨叶夹1-2的两侧分别固装一片桨叶1-3；

动力模块2包括上轴承端盖2-1、轴承座2-2、两个第一角接触球轴承2-3、挠性联轴器2-6、交流伺服电机2-8和伺服电机支座2-9，上轴承端盖2-1固装在轴承座2-2的上端口处，并将两个上下并排设置的第一角接触球轴承2-3卡在轴承座2-2内，且两个第一角接触球轴承2-3套装在传动轴1-1外，交流伺服电机2-8的驱动轴通过挠性联轴器2-6与传动轴1-1的底端固定连接，交流伺服电机2-8固装在伺服电机支座2-9上，轴承座2-2的下端与伺服电机支座2-9的上端固连；

测量模块3包括拉力传感器下安装座3-2、扭矩传感器3-7、扭矩传感器安装座3-4、第二角接触球轴承3-5、下轴承端盖3-3、第二平键3-8和三个拉力传感器3-1，三个拉力传感器3-1周向均匀设置在伺服电机支座2-9和拉力传感器下安装座3-2之间，扭矩传感器3-7安装在扭矩传感器安装座3-4内，扭矩传感器安装座3-4的上端伸入到拉力传感器下安装座3-2的下端口内，扭矩传感器3-7通过第二平键3-8与拉力传感器下安装座3-2固连，第二角接触球轴承3-5套装在扭矩传感器安装座3-4的外表面，下轴承端盖3-3固装在拉力传感器下安装座3-2的下端口上，且下轴承端盖3-3将第二角接触球轴承3-5卡在拉力传感器下安装座3-2的下端口处。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、将本装置置于真空状态下或者工作环境为二氧化碳(模拟火星)的环境下进行测试，通过拉力传感器测量单轴旋翼在转动过程中的升力或者推力，通过扭矩传感器测量单轴旋翼系统产生的扭矩，以及交流伺服电机采用电机编码器进行单轴旋翼的转速测量，因火星飞行器在火星表面飞行过程中，飞行器需要承担一定的载荷，因此此单轴旋翼系统在飞行过程中需要产生一定的升力及扭矩来满足飞行器的要求，通过调节上述三个数值以及更换不同参数的旋翼(桨叶)，优选出最适合火星低雷诺数环境下的单轴旋翼；

2、本装置结构设计科学合理，其中单轴旋翼的动力模块采用一个交流伺服电机驱动，电机轴通过挠性联轴器将运动动力传递至旋翼传动轴，传动轴通过桨夹带动桨叶旋转，此动力模块采用了挠性联轴器，使得单轴旋翼系统的动力直接传递，减少了传动过程中的效率损失和机械振动，也提高了单轴旋翼测量系统悬停特性测试装置的刚度；

3、本发明的单轴旋翼模块中通过更换不同的碳纤维桨叶夹，来安装不同安装角和几何特性的桨叶，可实现旋翼叶片的快速替换，方便对不同参数的桨叶进行悬停特性实验。

附图说明

图1为本装置的轴测图；

图2为本装置的侧视图；

图3为图2中A-A处的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

具体实施方式一：如图1、图2和图3所示，本实施方式中，所述的悬停特性测试装置包括单轴旋翼模块1、动力模块2和测量模块3，

动力模块2为单轴旋翼模块1提供旋转的动力，测量模块3用于测量单轴旋翼模块1多产生的升力以及扭矩；

单轴旋翼模块1包括传动轴1-1、碳纤维桨叶夹1-2和两片桨叶1-3，碳纤维桨叶夹1-2通过内六角圆柱头螺钉和弹簧垫圈固定安装在传动轴1-1的顶端，碳纤维桨叶夹1-2的两侧分别通过内六角圆柱头螺栓和弹簧垫圈固装一片桨叶1-3；

动力模块2包括上轴承端盖2-1、轴承座2-2、两个第一角接触球轴承2-3、挠性联轴器2-6、交流伺服电机2-8和伺服电机支座2-9，上轴承端盖2-1通过内六角圆柱头螺钉固装在轴承座2-2的上端口处，在上轴承端盖2-1与轴承座2-2的上端口之间设置有一个调整垫片，上轴承端盖2-1将两个上下并排设置的第一角接触球轴承2-3卡在轴承座2-2内，且两个第一角接触球轴承2-3套装在传动轴1-1外，两个第一角接触球轴承2-3的内圈分别与传动轴1-1的外壁贴合，两个第一角接触球轴承2-3的外圈分别与轴承座2-2的内壁贴合，上轴承端盖2-1的下表面压紧处于上方的第一角接触球轴承2-3的外圈，处于下方的第一角接触球轴承2-3的外圈压紧在轴承座2-2的内部止口面，交流伺服电机2-8的驱动轴通过挠性联轴器2-6与传动轴1-1的底端固定连接，交流伺服电机2-8通过内六角圆柱头螺栓固装在伺服电机支座2-9上，轴承座2-2的下端与伺服电机支座2-9的上端通过内六角圆柱头螺栓固连；

测量模块3包括拉力传感器下安装座3-2、扭矩传感器3-7、扭矩传感器安装座3-4、第二角接触球轴承3-5、下轴承端盖3-3、第二平键3-8和三个拉力传感器3-1，三个拉力传感器3-1周向均匀设置在伺服电机支座2-9和拉力传感器下安装座3-2之间，拉力传感器3-1的顶端通过内六角圆柱头螺钉和弹簧垫圈固连在伺服电机支座2-9的下表面处，拉力传感器3-1的底端通过内六角圆柱头螺钉和弹簧垫圈固连在拉力传感器下安装座3-2的上表面处，扭矩传感器3-7通过弹簧垫圈与内六角圆柱头螺钉安装在扭矩传感器安装座3-4内，扭矩传感器安装座3-4的上端伸入到拉力传感器下安装座3-2的下端口内，扭矩传感器3-7通过第二平键3-8与拉力传感器下安装座3-2的下表面固连，第二角接触球轴承3-5套装在扭矩传感器安装座3-4的外表面上，下轴承端盖3-3通过内六角圆柱头螺钉和弹簧垫圈固装在拉力传感器下安装座3-2的下端口上，且下轴承端盖3-3将第二角接触球轴承3-5卡在拉力传感器下安装座3-2的下端口处，第二角接触球轴承3-5的外圈贴合在拉力传感器下安装座3-2下端口内的圆形卡座内，第二角接触球轴承3-5的内圈贴合在扭矩传感器安装座3-4的外圆周壁上，第二角接触球轴承3-5外圈的下表面压紧在下轴承端盖3-3的上表面。

所述的第二平键3-8为普通平键，普通型平键对中性好，定位精度高，折装方便。

交流伺服电机2-8在电源电压的驱动下高速旋转，交流伺服电机2-8通过挠性联轴器2-6将旋转运动传递至传动轴1-1，传动轴1-1将旋转运动传递至浆叶1-3，在运动传递过程中，挠性联轴器2-6可避免桨叶直接安装在电机轴上时的动不平衡对电机轴产生的破坏，因此也避免了测试装置的振动。两个第一角接触球轴承2-3与传动轴1-1和轴承座2-2配合，实现传动轴1-1的旋转，保证传动轴1-1与交流伺服电机2-8输出轴的同轴度，并保证旋翼(浆叶)在运动过程中叶尖旋转平面相对于地面平行，电机编码器2-10对交流伺服电机2-8的转速进行检测，通过自反馈调节电源电压并修正交流伺服电机的转速，保证浆叶运动转速与工作人员要求的转速值一致。

两片桨叶1-3通过碳纤维桨叶夹1-2可拆卸的连接在传动轴1-1上，可以通过拆卸碳纤维桨叶夹1-2来更换不同参数的浆叶，且浆叶的安装角调整方便。

本发明中三组拉力传感器3-1对单轴旋翼系统产生的推力(升力)进行直接测量，扭矩传感器3-7对单轴旋翼系统产生的反扭矩进行测量。

当交流伺服电机2-8带动两片桨叶1-3转动时，在浆叶的转速一定的情况下，会对三个拉力传感器3-1产生拉力，进而测得此浆叶在真空环境下或者所模拟的火星环境下所能产生的升力及扭矩，通过更换不同参数的浆叶，得出不同的升力及扭矩，最终优选出最适合火星低雷诺数环境下的浆叶。

本发明中的单轴旋翼的转速调节范围为0–4500r/min，升力测量精度(拉力传感器的精度)为0.01N，扭矩测量精度(扭矩传感器的精度)为0.01N·m，翼展调节范围为0–1000mm；通过多次试验可知，单轴旋翼系统在3500r/min，翼展1000mm时，640Pa的火星模拟大气环境下整体工作性能稳定。

具体实施方式二：如图3所示，本实施方式中，所述的动力模块2还包括电机编码器2-10，电机编码器2-10置于交流伺服电机2-8转子的下方。

在交流伺服电机的驱动过程中，电机编码器对交流伺服电机转速进行实时监测并通过自反馈控制修正交流伺服电机的转速，确保交流伺服电机的转速在给定值的阈值范围以内。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图3所示，本实施方式中，所述轴承座2-2的纵剖图为凸字形，两个第一角接触球轴承2-3设置在轴承座2-2的上凸口内，挠性联轴器2-6设置在轴承座2-2的下凸口内。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图3所示，本实施方式中，交流伺服电机2-8通过第一平键2-7与挠性联轴器2-6的底端固连。

所述的第一平键2-7为普通平键，普通型平键对中性好，定位精度高，折装方便。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式中，所述的两个第一角接触球轴承2-3之间设置有挡环2-4，挡环2-4的上表面与处于上面的第一角接触球轴承2-3内圈的下表面接触，挡环2-4的下表面与处于下面的第一角接触球轴承2-3内圈的上表面接触。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式中，所述的动力模块2还包括轴用弹性挡圈2-5，轴用弹性挡圈2-5套在传动轴1-1上，且轴用弹性挡圈2-5的上表面与处于下面的第一角接触球轴承2-3内圈的上表面接触。

轴用弹性挡圈可以减少机械振动。

其他组成及连接方式与具体实施方式一至五任一项相同。

具体实施方式七：如图1所示，本实施方式中，所述的测量模块3还包括第二轴用弹性挡圈3-6，第二轴用弹性挡圈3-6套装在扭矩传感器安装座3-4的外表面上，且第二轴用弹性挡圈3-6的下表面与第二角接触球轴承3-5内圈的上表面接触。

轴用弹性挡圈可以减少机械振动。

其他组成及连接方式与具体实施方式一相同。

悬停测试实验过程：

起始时刻，交流伺服电机2-8的电源电压使其具有一定数值的转速，其中单轴旋翼模块中的桨叶需反装，产生推力向下以抵消地面效应对实验产生的影响。在动力模块向单轴旋翼模块输出动力的同时，通过电机编码器对交流伺服电机的转速进行补偿修正，单轴旋翼模块因此而产生向下的推力，其数值由三个拉力传感器进行测量，最终推力数值为三个拉力传感器测得的拉力之和，单轴旋翼模块产生的反扭矩则由扭矩传感器完成测量，由此可以使用不同旋翼在火星大气模拟环境下进行实验并获得推力和扭矩，以此进行旋翼的优选。

Claims (7)

1.用于测试火星飞行器单轴旋翼系统的悬停特性测试装置，其特征在于：它包括单轴旋翼模块(1)、动力模块(2)和测量模块(3)；

单轴旋翼模块(1)包括传动轴(1-1)、碳纤维桨叶夹(1-2)和两片桨叶(1-3)，碳纤维桨叶夹(1-2)固定安装在传动轴(1-1)的顶端，碳纤维桨叶夹(1-2)的两侧分别固装一片桨叶(1-3)；

动力模块(2)包括上轴承端盖(2-1)、轴承座(2-2)、两个第一角接触球轴承(2-3)、挠性联轴器(2-6)、交流伺服电机(2-8)和伺服电机支座(2-9)，上轴承端盖(2-1)固装在轴承座(2-2)的上端口处，并将两个上下并排设置的第一角接触球轴承(2-3)卡在轴承座(2-2)内，且两个第一角接触球轴承(2-3)套装在传动轴(1-1)外，交流伺服电机(2-8)的驱动轴通过挠性联轴器(2-6)与传动轴(1-1)的底端固定连接，交流伺服电机(2-8)固装在伺服电机支座(2-9)上，轴承座(2-2)的下端与伺服电机支座(2-9)的上端固连；

测量模块(3)包括拉力传感器下安装座(3-2)、扭矩传感器(3-7)、扭矩传感器安装座(3-4)、第二角接触球轴承(3-5)、下轴承端盖(3-3)、第二平键(3-8)和三个拉力传感器(3-1)，三个拉力传感器(3-1)周向均匀设置在伺服电机支座(2-9)和拉力传感器下安装座(3-2)之间，扭矩传感器(3-7)安装在扭矩传感器安装座(3-4)内，扭矩传感器安装座(3-4)的上端伸入到拉力传感器下安装座(3-2)的下端口内，扭矩传感器(3-7)通过第二平键(3-8)与拉力传感器下安装座(3-2)固连，第二角接触球轴承(3-5)套装在扭矩传感器安装座(3-4)的外表面，下轴承端盖(3-3)固装在拉力传感器下安装座(3-2)的下端口上，且下轴承端盖(3-3)将第二角接触球轴承(3-5)卡在拉力传感器下安装座(3-2)的下端口处。

2.根据权利要求1所述的悬停特性测试装置，其特征在于：所述的动力模块(2)还包括电机编码器(2-10)，电机编码器(2-10)置于交流伺服电机(2-8)转子的下方。

3.根据权利要求1所述的悬停特性测试装置，其特征在于：所述轴承座(2-2)的纵剖图为凸字形，两个第一角接触球轴承(2-3)设置在轴承座(2-2)的上凸口内，挠性联轴器(2-6)设置在轴承座(2-2)的下凸口内。

4.根据权利要求1所述的悬停特性测试装置，其特征在于：交流伺服电机(2-8)通过第一平键(2-7)与挠性联轴器(2-6)的底端固连。

5.根据权利要求1所述的悬停特性测试装置，其特征在于：所述的两个第一角接触球轴承(2-3)之间设置有挡环(2-4)，挡环(2-4)的上表面与处于上面的第一角接触球轴承(2-3)内圈的下表面接触，挡环(2-4)的下表面与处于下面的第一角接触球轴承(2-3)内圈的上表面接触。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的悬停特性测试装置，其特征在于：所述的动力模块(2)还包括第一轴用弹性挡圈(2-5)，第一轴用弹性挡圈(2-5)套装在传动轴(1-1)上，且第一轴用弹性挡圈(2-5)的上表面与处于下面的第一角接触球轴承(2-3)内圈的上表面接触。

7.根据权利要求1所述的悬停特性测试装置，其特征在于：所述的测量模块(3)还包括第二轴用弹性挡圈(3-6)，第二轴用弹性挡圈(3-6)套装在扭矩传感器安装座(3-4)的外表面上，且第二轴用弹性挡圈(3-6)的下表面与第二角接触球轴承(3-5)内圈的上表面接触。

Images