CN110606222B - 一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置 - Google Patents

Abstract

一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，它涉及一种气动特性测试装置。本发明为了解决现有的共轴旋翼测试结构复杂，对测试结果干扰因素多，致使无法提供单轴旋翼系统火星特殊环境的飞行条件的问题。本发明的电机安装在电机支架上，主轴支架安装在电机支架的下端，联轴器安装在主轴支架内，旋翼主轴的一端与联轴器连接，旋翼主轴的另一端伸出主轴支架并与旋翼模块连接，测量支架安装在电机支架上，扭矩传感器下支架安装在测量支架上，扭矩传感器上支架安装在扭矩传感器下支架上，扭矩传感器安装在扭矩传感器上支架和扭矩传感器下支架之间。本发明用于火星飞行器单旋翼系统气动特性测试。

Description

一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置

技术领域

本发明涉及一种气动特性测试装置，具体涉及一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置。

背景技术

地外行星深空探测对研究行星演变历程、探索行星地址结构、扩展人类新的生存空间具有重要意义。火星具有与地球相似的物理特征、昼夜交替、四季变化等特点，是目前人类地外行星研究的主要研究对象。目前火星近地面探测的主要方式为火星着陆器与火星漫游车，其中火星漫游车能够在火星表面行进与探测，极大地加快了火星探测的速度但仍受火星表面地形地貌的限制。火星表面稀薄的大气环境为研制一种用于协助火星车完成路径规划的火星飞行器提供了飞行条件，对比无人机的飞行方式，旋翼式飞行器能够在复杂火星表面完成垂直起飞与降落，并能够在一定飞行高度悬停飞行，观测火星漫游车周围环境并协助漫游车进行行进路径规划，因而旋翼式火星飞行器研究具有重要意义。由于火星大气稀薄且飞行温度低，火星飞行器需在低雷诺数条件飞行，研制一种能够针对火星飞行器共轴旋翼系统特殊工况的旋翼系统气动特性测试装置对旋翼式飞行研制具有重要意义，研制一种针对共轴旋翼系统上旋翼气动特性测试装置具有重要的理论与工程意义。

目前，地球表面的飞行器研究者相对较多，而火星的飞行器受行业和应用环境的限制，仅有各国相关领域的人员进行研究。随着火星飞行器研究的不断深入，对旋翼系统气动特性测试要求越来越高，现有的旋翼系统气动特性测试是针对共轴旋翼的，没有对上旋翼系统气动特性的测试，致使无法提供单轴旋翼系统火星特殊环境的飞行条件，而且现有的共轴旋翼测试结构复杂，对测试结果干扰因素多。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的共轴旋翼测试结构复杂，对测试结果干扰因素多，致使无法提供单轴旋翼系统火星特殊环境的飞行条件的问题。进而提供一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置。

本发明的技术方案是：一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置包括旋翼模块，它还包括主轴支架、电机支架、电机、联轴器、旋翼主轴、测量支架、多个S形压力传感器、扭矩传感器下支架、扭矩传感器上支架和扭矩传感器，电机可拆卸安装在竖直设置的电机支架上，且电机的输出轴穿过电机支架的下端，主轴支架可拆卸安装在电机支架的下端，联轴器安装在主轴支架内并与电机的输出轴连接，旋翼主轴的一端与联轴器连接，旋翼主轴的另一端伸出主轴支架并与旋翼模块连接，测量支架可拆卸安装在电机支架上，且测量支架与电机支架之间安装有多个S形压力传感器，扭矩传感器下支架可拆卸安装在测量支架上，扭矩传感器上支架安装在扭矩传感器下支架上，扭矩传感器安装在扭矩传感器上支架和扭矩传感器下支架之间，扭矩传感器的底端与扭矩传感器下支架固连。

进一步地，旋翼模块包括旋翼桨夹和多个旋翼桨叶，旋翼桨夹安装在旋翼主轴上，多个旋翼桨叶倾斜安装在旋翼桨夹上。

进一步地，旋翼桨夹采用内嵌的形式安装在旋翼主轴上。

进一步地，旋翼桨叶的数量为2个。

进一步地，它还包括扭矩平键，扭矩传感器的下部插入到扭矩传感器下支架内，并通过扭矩平键连接，扭矩传感器的上部伸出扭矩传感器上支架并通过扭矩平键连接。

进一步地，它还包括扭矩轴承，测量支架与扭矩传感器下支架之间通过扭矩轴承转动连接。

进一步地，它还包括轴承端盖和深沟球轴承，主轴支架与旋翼主轴之间安装有深沟球轴承，轴承端盖安装在主轴支架的下端。

进一步地，S形压力传感器的数量为3个。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明结构设计科学合理，电机、联轴器、主轴、旋翼系统沿竖直方向依次连接，保证测试装置结构的紧凑性，结构简单。测量装置总重量通过位于测量装置顶端的轴承卸载至测量装置支撑架，S形压力传感器与旋翼系统支架连接，保证旋翼升力的直接测量，扭矩传感器底端与测量支架固连，扭矩传感器顶端与测量装置外壳连接以直接测量旋翼的扭矩，测量方式简单合理。

2、本发明中旋翼桨夹可作为整体进行拆卸与装配，简单方便，旋翼桨叶安装至旋翼桨夹后可作为整体进行动平衡调整，保证测试过程中运动的平稳性。

3、本发明旋翼主轴通过与一对轴承配合保证竖直方向旋转的同轴性，高速电机与旋翼主轴间通过联轴器连接保证旋转运动的同轴性。

4、本发明采用S形压力传感器对旋翼系统的升力进行测量，采用扭矩传感器对旋翼系统的扭矩进行测量，测量方式均为直接测量，保证测试装置的精度要求，为火星特殊环境的飞行条件提供数据。

5、本发明通过多次试验可知，单旋翼系统气动特性测试装置中旋翼系统的转速范围为0–3000r/min，旋翼转速误差为±5r/min，可测量的旋翼系统桨叶直径范围为0.5–1.0m，旋翼系统可更换桨叶调整旋翼安装角，旋翼系统可更换桨叶调整桨叶结构参数。

6、本发明通过多次试验可知，旋翼系统在3000r/min，翼展1.0m时，1350Pa的二氧化碳环境工作过程整体性能稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置包括旋翼模块1，它还包括主轴支架2、电机支架3、电机4、联轴器5、旋翼主轴6、测量支架7、多个S形压力传感器8、扭矩传感器下支架9、扭矩传感器上支架10和扭矩传感器11，电机4可拆卸安装在竖直设置的电机支架3上，且电机4的输出轴穿过电机支架3的下端，主轴支架2可拆卸安装在电机支架3的下端，联轴器5安装在主轴支架2内并与电机4的输出轴连接，旋翼主轴6的一端与联轴器5连接，旋翼主轴6的另一端伸出主轴支架2并与旋翼模块1连接，测量支架7可拆卸安装在电机支架3上，且测量支架7与电机支架3之间安装有多个S形压力传感器8，扭矩传感器下支架9可拆卸安装在测量支架7上，扭矩传感器上支架10安装在扭矩传感器下支架9上，扭矩传感器11安装在扭矩传感器上支架10和扭矩传感器下支架9之间，扭矩传感器11的底端与扭矩传感器下支架9固连。

本实施方式的电机4为高速电机，通过电压进行转速的调整，其转速通过内置码盘进行实时测量，其为maxson电机。

本实施方式的电机4的旋转轴与联轴器5上端面连接，联轴器5下端面与旋翼主轴6连接，联轴器5通过其表面的螺钉进行预紧，旋翼主轴6与旋翼桨夹1-1通过螺钉连接，旋翼桨夹1-1与旋翼桨叶1-2通过螺栓连接双螺母预紧，电机4与电机支架3通过螺栓连接双螺母预紧，电机支架3与主轴支架2通过螺栓连接，双螺母预紧，一对深沟球轴承15内轴与旋翼主轴6配合，一对深沟球轴承15与轴承垫片配合，轴承挡圈与深沟球轴承15内轴配合并通过双螺母预紧，一对深沟球轴承15的外轴与主轴支架2配合，轴承端盖11与主轴支架2通过螺钉连接，轴承端盖11压紧深沟球轴承15的外轴，电机支架3与S形压力传感器8下端面通过螺钉连接，S形压力传感器8上端面与扭矩传感器下支架9通过螺钉连接，扭矩传感器下支架9与扭矩传感器上支架10通过螺钉、弹簧垫片连接，扭矩传感器11顶端转轴与扭矩传感器上支架10配合，测量支架7与扭矩传感器11、扭矩平键12配合并固连，扭矩轴承13内轴与测量支架7配合，扭矩轴承13外轴与扭矩传感器下支架9配合，轴承卡簧与扭矩轴承13内轴配合预紧，轴承垫片与扭矩轴承13外轴配合，轴承垫片与扭矩传感器下支架9通过螺钉连接。

本发明中电机4、联轴器5、旋翼主轴6与旋翼桨夹1-1依次连接。火星特殊的飞行环境要求旋翼系统具有较高的旋转速度，电机4沿竖直方向的高转速可通过联轴器5传递至旋翼主轴6，电机4与旋翼主轴6间的不同轴度可通过联轴器5调整。

本发明中旋翼主轴6与主轴支架2的同轴度是通过一对深沟球轴承15的配合保证的，旋翼主轴6沿竖直方向运动的轴向精度可通过主轴支架2的安装精度保证。

本发明中电机4的旋转速度可通过调整电源电压的数值大小进行精确调整，电机4中的码盘可对其转速进行实时测量。

本发明中S形压力传感器8位于垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置的顶端，在旋翼系统高速运动中，可实现对旋转系统各方向的推力进行实时的直接测量。

本发明中扭矩传感器11位于垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置的顶端，在旋翼系统高速运动中，可实现对旋转系统各方向的扭矩进行实时的直接测量。

本实施方式的旋翼主轴6与高速电机4沿轴线装配偏差采用联轴器5进行补偿。

本实施方式的S形压力传感器8，对旋翼桨叶1-2产生的升力进行直接测量。

本实施方式的扭矩传感器11对旋翼桨叶1-2产生的扭矩进行直接测量。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的旋翼模块1包括旋翼桨夹1-1和多个旋翼桨叶1-2，旋翼桨夹1-1安装在旋翼主轴6上，多个旋翼桨叶1-2倾斜安装在旋翼桨夹1-1上。如此设置，本发明中旋翼系统的安装角可通用更换具有不同安装角的旋翼桨夹1-1实现，旋翼桨叶的结构形式可通过更换旋翼桨叶1-2实现。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的旋翼桨夹1-1采用内嵌的形式安装在旋翼主轴6上。如此设置，便于更换不同的桨叶。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

本实施方式的旋翼桨夹1-1中部设有通孔1-3，旋翼主轴6的下端插入到通孔1-3内并通过螺栓连接，旋翼桨夹1-1的两端设有桨叶连接杆1-4，所述的两个桨叶连接杆1-4倾斜设置，通过螺栓与旋翼桨叶1-2连接。满足旋翼角度不同的要求，旋翼的具体角度根据实际需要进行设定。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的旋翼桨叶1-2的数量为2个。如此设置，便于满足特性测试需求。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括扭矩平键12，扭矩传感器11的下部插入到扭矩传感器下支架9内，并通过扭矩平键12连接，扭矩传感器11的上部伸出扭矩传感器上支架10并通过扭矩平键12连接。如此设置，连接可靠，传动稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括扭矩轴承13，测量支架7与扭矩传感器下支架9之间通过扭矩轴承13转动连接。如此设置，便于满足高速转动的工况。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括轴承端盖14和深沟球轴承15，主轴支架2与旋翼主轴6之间安装有深沟球轴承15，轴承端盖14安装在主轴支架2的下端。如此设置，实现石灰石给入与二次风一同进入炉膛1内，达到混合及分布均匀。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的S形压力传感器8的数量为3个。如此设置，S形压力传感器位于垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置的顶端，对旋翼系统的产生的升力进行实时测量。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

本发明中旋翼系统、驱动系统及力学性能测量系统依次连接，具有直立式结构特点，高速电机与旋翼主轴间的不同轴性通过联轴器保证，旋翼主轴的运动的同轴性是通过一对深沟球轴承实现的，旋翼系统运动的稳定性是通过测试前配平实验实现的。扭矩传感器位于S形压力传感器上部，用于对旋翼系统的产生的扭矩进行实时测量。本发明主要同于火星共轴旋翼飞行器的上旋翼系统升阻特性进行测试，为火星飞行器动力系统的研制提供支持。

本发明的工作原理：

旋翼系统的运动过程：电机4在电压驱动作用下高速旋转，其转速大小可通过调整电压大小进行调整，其转速精度可通过电机4内部的码盘进行反馈调节，电机4将旋转运动传递至联轴器5，联轴器5将旋转运动传递至旋翼主轴6，旋翼主轴6将旋转运动传递至旋翼桨夹1-1，旋翼桨夹1-1带动旋翼桨叶1-2高速旋转产生升力与扭矩。电机4带动旋翼主轴6的旋转过程，两者运动的不同轴性是通过联轴器5保证的，旋翼主轴6沿竖直方向运动是通过一对深沟球轴承15保证的。

旋翼系统升力的测量过程：电机4带动旋翼桨叶1-2高速旋转并产生升力，升力由旋翼桨夹1-1、旋翼主轴6、电机支架3、S形压力传感器8、扭矩传感器下支架9、扭矩轴承13、测量支架7依次传递，其中S形压力传感器8用于承载测量装置的旋翼及驱动系统，旋翼系统产生的升力将直接导致S形压力传感器8拉力大小的变化，从而直接测量旋翼系统的升力特性。

旋翼系统扭矩的测量过程：电机4带动旋翼桨叶1-2高速旋转并产生扭矩，扭矩由旋翼桨夹1-1、旋翼主轴6、电机支架3、S形压力传感器8、扭矩传感器下支架9、扭矩传感器上支架10、扭矩传感器11、扭矩平键12、测量支架7依次传递，其中扭矩传感器11用于直接测量旋翼系统产生的扭矩。

Claims (6)

1.一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，它包括旋翼模块(1)，其特征在于：它还包括主轴支架(2)、电机支架(3)、电机(4)、联轴器(5)、旋翼主轴(6)、测量支架(7)、多个S形压力传感器(8)、扭矩传感器下支架(9)、扭矩传感器上支架(10)和扭矩传感器(11)，

电机(4)可拆卸安装在竖直设置的电机支架(3)上，且电机(4)的输出轴穿过电机支架(3)的下端，主轴支架(2)可拆卸安装在电机支架(3)的下端，联轴器(5)安装在主轴支架(2)内并与电机(4)的输出轴连接，旋翼主轴(6)的一端与联轴器(5)连接，旋翼主轴(6)的另一端伸出主轴支架(2)并与旋翼模块(1)连接，测量支架(7)可拆卸安装在电机支架(3)上，且测量支架(7)与电机支架(3)之间安装有多个S形压力传感器(8)，扭矩传感器下支架(9)可拆卸安装在测量支架(7)上，扭矩传感器上支架(10)安装在扭矩传感器下支架(9)上，扭矩传感器(11)安装在扭矩传感器上支架(10)和扭矩传感器下支架(9)之间，扭矩传感器(11)的底端与扭矩传感器下支架(9)固连；

旋翼模块(1)包括旋翼桨夹(1-1)和多个旋翼桨叶(1-2)，旋翼桨夹(1-1)安装在旋翼主轴(6)上，多个旋翼桨叶(1-2)倾斜安装在旋翼桨夹(1-1)上；

旋翼桨夹(1-1)采用内嵌的形式安装在旋翼主轴(6)上。

2.根据权利要求1所述的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，其特征在于：旋翼桨叶(1-2)的数量为2个。

3.根据权利要求2所述的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，其特征在于：它还包括扭矩平键(12)，扭矩传感器(11)的下部插入到扭矩传感器下支架(9)内，并通过扭矩平键(12)连接，扭矩传感器(11)的上部伸出扭矩传感器上支架(10)并通过扭矩平键(12)连接。

4.根据权利要求3所述的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，其特征在于：它还包括扭矩轴承(13)，测量支架(7)与扭矩传感器下支架(9)之间通过扭矩轴承(13)转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，其特征在于：它还包括轴承端盖(14)和深沟球轴承(15)，主轴支架(2)与旋翼主轴(6)之间安装有深沟球轴承(15)，轴承端盖(14)安装在主轴支架(2)的下端。

6.根据权利要求1或5所述的一种垂吊式火星飞行器单旋翼系统气动特性测试装置，其特征在于：S形压力传感器(8)的数量为3个。

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