CN111024362A - 用于对称面内级间分离轨迹预估的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置及试验方法，该试验装置包括具备运动反馈功能的攻角机构、二级模型攻角运动机构、及三自由度运动机构；攻角机构独立驱动，二级模型攻角运动机构安装在三自由度运动机构上，由二级模型攻角运动机构和三自由度运动机构共同驱动二级模型。该装置既能够实现超声速大升力体模型的支撑及精准定位，又能实现两级模型在纵向对称面内的同时运动状态。

Description

用于对称面内级间分离轨迹预估的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及气动力试验技术领域，具体涉及一种用于大升力体两级入轨飞行器的纵向对称面内级间分离轨迹预估的试验装置及试验方法。

背景技术

以美国为主的西方国家在长达半个多世纪内的持续研究表明，空天飞行器概念的演化经历了从单级入轨到两级入轨的转化，在可预见的未来，两级入轨是实现空天飞行器的现实方案。而两级入轨空天飞行器的级间分离目前仍然是一项尚未解决的关键技术。

从基础试验设备看，国内在生产型风洞中建立的亚/跨/超声速捕获轨迹试验设备的应用原理是：在风洞中使用主支撑机构支撑载机模型，试验时主支撑及载机模型固定不动，提供干扰流场；使用六自由机构和六应变天平支撑外挂物模型；给定分离初始条件之后，在风洞中外挂物模型相对于载机模型的初始位置上，测量外挂在载机干扰流场上的气动力；叠加其他已知参数并经过一系列解算后，求解出下一时刻外挂物相对于载机的位姿参数；然后六自由度机构将外挂物移至该位置和姿态，重复前述步骤，得到整条分离轨迹。

从支撑系统上看，上述六自由度机构主要支撑弹箭等旋成体，在支撑超声速大升力体时，其承载能力有限，且刚度较差、定位精度不高；主支撑系统只适用于模拟载机不动、导弹相对载机运动的状态，不适合模拟两级同时运动的状态。

从上述原理可以看出，常规的捕获轨迹试验装置不能满足大升力体两级同时运动的级间分离轨迹预估试验需求。

发明内容

发明目的

本发明的目的是提供一种用于大升力体两级入轨飞行器的纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，既能够实现超声速大升力体模型的支撑及精准定位，又能实现两级模型在纵向对称面内的同时运动状态。

发明技术解决方案

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，包括具备运动反馈功能的攻角机构、二级模型攻角运动机构、及三自由度运动机构；攻角机构独立驱动，二级模型攻角运动机构安装在三自由度运动机构上，由二级模型攻角运动机构和三自由度运动机构共同驱动二级模型。

优选的，攻角机构包括依次联接的伺服电机、减速器、齿轮轴、编码器；弯刀通过弧形滑轨安装在风洞洞体上并由伺服电机Ⅰ、减速器Ⅰ和齿轮轴驱动，使弯刀能够绕弧形滑轨的中心转动；编码器安装在齿轮轴端部，能够实时反馈弯刀的转动角度；天平支杆安装在弯刀上并随弯刀一起转动，实现一级模型的攻角变化。

优选的，二级模型攻角运动机构包括变攻角机构和变侧滑角机构；变攻角机构由伺服电机Ⅱ联接减速器Ⅱ带动丝杆转动，从而驱动丝杆螺母在气流方向上做一定距离的往返运动，通过连杆拉动变攻角接头，实现外挂物的俯仰角变化；变侧滑角机构由变侧滑角接头和扇形面接头组成，变侧滑角接头与变攻角接头连接，扇形面接头位于变侧滑角接头上的滑槽内并能够沿滑槽移动，通过改变扇形面接头在变侧滑角接头内的位置实现偏航角在-5°～+5°间的变化。

优选的，二级模型攻角运动机构还包括导轨基座，伺服电机Ⅱ、减速器Ⅱ、滑轨设置在导轨基座上，滑块能够沿滑轨移动，滑块座底部连接在滑块上，丝杆上的丝杆螺母固定在滑块座上的丝杆螺母安装槽内；连杆一端转动连接在滑块座上，另一端与变攻角接头转动连接；变攻角接头还转动连接在导轨基座上；变侧滑角接头固定在变攻角接头上；导轨基座固定在三自由度运动机构上。

优选的，三自由度运动机构包括侧向运动机构、轴向运动机构、法向运动机构；侧向机构位于整个三自由度运动机构的最底层，通过伺服电机和丝杠驱动底板使整个三自由度运动机构进行侧向直线运动；轴向运动机构基座安装在能够沿轴向直线导轨移动的滑块上，通过伺服电机和丝杠的驱动进行轴向运动；法向运动机构包括构成平行四边形的基座、摇摆上臂、摇摆下臂和L形支座，摇摆上臂、摇摆下臂一端转动连接于L形支座上，摇摆上臂中部和摇摆下臂另一端转动连接于基座上，摇摆上臂另一端转动连接于位于丝杠上的丝杠螺母上，通过电机和丝杠驱动摇摆上臂绕摇摆上臂位于丝杠螺母上的转轴转动，带动L形支座进行法向运动。

优选的，导轨基座固定在L形支座上。

优选的，扇形面接头与变侧滑角接头接触部分设置有聚四氟乙烯垫层，聚四氟乙烯垫层固定在变侧滑角接头的滑槽内。

优选的，当扇形面接头移动到位后，采用销将扇形面接头定位并采用螺栓将扇形面接头与变侧滑角接头紧固联接。

用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验方法，包括如下步骤：

1)将一级模型及天平安装在具备运动反馈功能的攻角机构上；根据试验要求，确定一级模型的攻角，试验过程中根据测得的气动力参数解算出的一级模型攻角，通过攻角机构来实现一级模型攻角的实时变化，并在到位后反馈攻角信息；

2)二级模型及天平与扇形面接头10连接；初始状态时，通过伺服电机Ⅱ3带动丝杆5转动，驱动滑块在滑轨上前后运动，带动连杆7运动，使得变攻角接头产生角度变化，从而控制二级模型角度变化，使二级模型保持与一级模型相同的攻角状态；同时，控制三自由度机构移动二级模型位置，使二级模型精准的到达试验要求的初始位置；

3)试验开始后，通过测得的两级模型的气动力及其他已知参数，计算得到下一时间点一级模型的攻角，二级模型的攻角及其在纵向对称面内相对于一级模型的位置，然后通过控制二级模型攻角运动机构及三自由度机构，使二级模型到达相应的位置和姿态；

4)重复步骤3)的过程，直至获得整条预设轨迹，试验结束。

本发明的优点

本发明的优点在于：

(1)具备运动反馈功能的攻角机构结合大承载能力的四自由度机构，创新的实现了两个大升力体模型同时运动的试验状态。

(2)二级模型攻角运动机构采用了曲柄滑块的形式，直线驱动机构驱动滑块沿风洞轴线运动，与滑块相连的连杆带动模型绕俯仰基座的转轴做俯仰运动，显著提高了机构的承载能力、刚强度以及运动精准度。

(3)模型支杆与角度运动机构间采用扇形面连接，并在扇形面内侧及定位销孔间用聚四氟乙烯进行绝缘，巧妙的在隔绝电机对天平信号干扰的同时，亦可实现模型的侧滑角变化，为今后进行两级飞行器分离的三维空间的网格测力研究提供设备基础。

附图说明

图1为本发明的用于对称面内级间分离轨迹预估的试验装置的结构示意图。

图2为二级模型攻角运动机构的主视图。

图3为二级模型攻角运动机构的俯视图。

图4为攻角机构的结构示意图。

图5为图4的A-A剖面图。

图6为三自由度运动机构的三维结构图。

图中：1-导轨基座、2-放大器和压力传感器安装空间、3-伺服电机Ⅱ、4-减速器Ⅱ、5-丝杆、6-丝杆螺母、7-连杆、8-变攻角接头、9-变侧滑角接头、10-扇形面接头、11-伺服电机、12-减速器、13-齿轮轴、14-编码器、15-弯刀、16-一级模型天平支杆、17-弧形滑轨、18-导轨和滑块、19-滑块座。

具体实施方式

结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，包括攻角机构、二级模型攻角运动机构、三自由度运动机构。其中，攻角机构具备运动反馈功能且独立驱动，二级模型攻角运动机构则安装在三自由度运动机构的L型支座23上，二级模型攻角运动机构和三自由度运动机构共同驱动二级模型。

攻角机构包括伺服电机11、减速器12、齿轮13、编码器14、弯刀15、弧形滑17轨和一级模型天平支杆16。弯刀15通过弧形滑轨17安装在风洞洞体上，通过伺服电机11、减速器12和齿轮轴13驱动弯刀15，使其绕弧形滑轨17的中心转动。编码器14安装在齿轮轴13端部，能够实时反馈弯刀15的转动角度。一级模型天平支杆16安装在弯刀15上，随弯刀15一起转动，实现一级模型的攻角变化。

二级模型攻角运动机构包括变攻角机构和变侧滑角机构。变攻角机构包括导轨基座1、导轨和滑块18、滑块座19、伺服电机Ⅱ3、减速器Ⅱ4、丝杆5、丝杆螺母6、连杆7，变侧滑角机构由变侧滑角接头9和扇形面接头10组成。伺服电机Ⅱ3、减速器Ⅱ4、导轨均设置于导轨基座1上，滑块可沿滑轨移动，滑块座19底部与滑块通过螺钉固联，滑块座19上设置有丝杆螺母安装槽，丝杆螺母安装槽上有与丝杆螺母6的法兰相配合的螺纹孔，通过螺钉将丝杆螺母6固定在滑块座19上，为了避免与丝杆5相撞，还在滑块座19上设计了一个与连杆7的双耳轴相配合的双耳轴。连杆7两端各设计一个双耳轴结构，分别与变攻角接头8上的连杆安装耳轴和滑块座19上的连杆安装耳轴通过轴转动联接。变攻角接头8还与导轨基座1通过轴转动联接，变攻角接头8与变侧滑角接头9通过端面键定位，采用螺钉将变攻角接头8与变侧滑角接头9联接。同时，在变攻角接头8上设计用于连杆7安装的耳轴结构，用以实现轴联接。

变侧滑角接头9远离变攻角接头8一侧开设有滑槽，扇形的扇形面接头10位于滑槽内，扇形面接头10两端伸出滑槽，变侧滑角接头9和扇形面接头10上均设置有若干销孔和安装孔，当扇形面接头10移动到位后采用销将扇形面接头10定位并采用螺栓将变侧滑角接头9和扇形面接头10紧固联接。在滑槽内设置有聚四氟乙烯垫层，即在变侧滑角接头9和扇形面接头10接触面设置聚四氟乙烯垫层，聚四氟乙烯垫层既可以起到绝缘的作用，又可以降低摩擦系数，便于更改侧滑角状态。

伺服电机Ⅱ3联接减速器Ⅱ4带动丝杆5转动，从而驱动丝杆螺母6在气流方向上做一定距离的往返运动，通过连杆7拉动变攻角接头8，实现外挂物的俯仰角变化；通过改变扇形面接头10的位置，实现偏航角在-5°～+5°间的变化，以满足CTS的试验要求。

三自由度运动机构包括侧向运动机构、轴向运动机构、法向运动机构；侧向机构位于整个三自由度运动机构的最底层，通过伺服电机和丝杠驱动底板使整个三自由度运动机构进行侧向直线运动；轴向运动机构基座安装在能够沿轴向直线导轨移动的滑块上，通过伺服电机和丝杠的驱动进行轴向运动；法向运动机构包括构成平行四边形的基座20、摇摆上臂21、摇摆下臂22和L形支座23，摇摆上臂21、摇摆下臂22一端转动连接于L形支座23上，摇摆上臂21中部和摇摆下臂22另一端转动连接于基座20上，摇摆上臂21另一端转动连接于位于丝杠上的丝杠螺母上，通过电机和丝杠驱动摇摆上臂21绕摇摆上臂21位于丝杠螺母上的转轴转动，带动L形支座23进行法向运动。导轨基座1固定在L形支座23上。

采用上述用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

1)将一级模型及天平安装在具备运动反馈功能的攻角机构上；根据试验要求，确定一级模型的攻角，试验过程中根据测得的气动力参数解算出的一级模型攻角，通过攻角机构来实现一级模型攻角的实时变化，并在到位后反馈攻角信息；

2)二级模型及天平与扇形面接头10连接；初始状态时，通过伺服电机Ⅱ3带动丝杆5转动，驱动滑块在滑轨上前后运动，带动连杆7运动，使得变攻角接头产生角度变化，从而控制二级模型角度变化，使二级模型保持与一级模型相同的攻角状态；同时，控制三自由度机构移动二级模型位置，使二级模型精准的到达试验要求的初始位置；

3)试验开始后，通过测得的两级模型的气动力及其他已知参数，计算得到下一时间点一级模型的攻角，二级模型的攻角及其在纵向对称面内相对于一级模型的位置，然后通过控制二级模型攻角运动机构及三自由度机构，使二级模型到达相应的位置和姿态；

4)重复步骤3)的过程，直至获得整条预设轨迹，试验结束。

本发明不局限于所述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (9)

1.用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：包括具备运动反馈功能的攻角机构、二级模型攻角运动机构、及三自由度运动机构；攻角机构独立驱动，二级模型攻角运动机构安装在三自由度运动机构上，由二级模型攻角运动机构和三自由度运动机构共同驱动二级模型。

2.如权利要求1所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：攻角机构包括依次联接的伺服电机(11)、减速器(12)、齿轮轴(13)、编码器(14)；弯刀(15)通过弧形滑轨(17)安装在风洞洞体上并由伺服电机Ⅰ(11)、减速器Ⅰ(12)和齿轮轴(13)驱动，使弯刀(15)能够绕弧形滑轨(17)的中心转动；编码器(14)安装在齿轮轴(13)端部，能够实时反馈弯刀(15)的转动角度；天平支杆(16)安装在弯刀(15)上并随弯刀(15)一起转动，实现一级模型的攻角变化。

3.如权利要求1所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：二级模型攻角运动机构包括变攻角机构和变侧滑角机构；变攻角机构由伺服电机Ⅱ(3)联接减速器Ⅱ(4)带动丝杆(5)转动，从而驱动丝杆螺母(6)在气流方向上做一定距离的往返运动，通过连杆(7)拉动变攻角接头(8)，实现外挂物的俯仰角变化；变侧滑角机构由变侧滑角接头(9)和扇形面接头(10)组成，变侧滑角接头(9)与变攻角接头(8)连接，扇形面接头(10)位于变侧滑角接头(9)上的滑槽内并能够沿滑槽移动，通过改变扇形面接头(10)在变侧滑角接头(9)内的位置实现偏航角在-5°～+5°间的变化。

4.如权利要求3所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：二级模型攻角运动机构还包括导轨基座(1)，伺服电机Ⅱ(3)、减速器Ⅱ(4)、滑轨设置在导轨基座(1)上，滑块能够沿滑轨移动，滑块座(19)底部连接在滑块上，丝杆(5)上的丝杆螺母(6)固定在滑块座(19)上的丝杆螺母安装槽内；连杆(7)一端转动连接在滑块座(19)上，另一端与变攻角接头(8)转动连接；变攻角接头(8)还转动连接在导轨基座(1)上；变侧滑角接头(9)固定在变攻角接头(8)上；导轨基座(1)固定在三自由度运动机构上。

5.如权利要求4所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：三自由度运动机构包括侧向运动机构、轴向运动机构、法向运动机构；侧向机构位于整个三自由度运动机构的最底层，通过伺服电机和丝杠驱动底板使整个三自由度运动机构进行侧向直线运动；轴向运动机构基座安装在能够沿轴向直线导轨移动的滑块上，通过伺服电机和丝杠的驱动进行轴向运动；法向运动机构包括构成平行四边形的基座(20)、摇摆上臂(21)、摇摆下臂(22)和L形支座(23)，摇摆上臂(21)、摇摆下臂(22)一端转动连接于L形支座(23)上，摇摆上臂(21)中部和摇摆下臂(22)另一端转动连接于基座(20)上，摇摆上臂(21)另一端转动连接于位于丝杠上的丝杠螺母上，通过电机和丝杠驱动摇摆上臂(21)绕摇摆上臂(21)位于丝杠螺母上的转轴转动，带动L形支座(23)进行法向运动。

6.如权利要求5所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：导轨基座(1)固定在L形支座(23)上。

7.如权利要求3所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：扇形面接头(10)与变侧滑角接头(9)接触部分设置有聚四氟乙烯垫层，聚四氟乙烯垫层固定在变侧滑角接头(9)的滑槽内。

8.如权利要求3所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置，其特征在于：当扇形面接头(10)移动到位后，采用销将扇形面接头(10)定位并采用螺栓将扇形面接头(10)与变侧滑角接头(9)紧固联接。

9.采用权利要求1～8任一所述的用于纵向对称面内并联级间分离轨迹预估的试验装置进行试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将一级模型及天平安装在具备运动反馈功能的攻角机构上；根据试验要求，确定一级模型的攻角，试验过程中根据测得的气动力参数解算出的一级模型攻角，通过攻角机构来实现一级模型攻角的实时变化，并在到位后反馈攻角信息；

2)二级模型及天平与扇形面接头(10)连接；初始状态时，通过伺服电机Ⅱ(3)带动丝杆(5)转动，驱动滑块在滑轨上前后运动，带动连杆(7)运动，使得变攻角接头产生角度变化，从而控制二级模型角度变化，使二级模型保持与一级模型相同的攻角状态；同时，控制三自由度机构移动二级模型位置，使二级模型精准的到达试验要求的初始位置；

3)试验开始后，通过测得的两级模型的气动力及其他已知参数，计算得到下一时间点一级模型的攻角，二级模型的攻角及其在纵向对称面内相对于一级模型的位置，然后通过控制二级模型攻角运动机构及三自由度机构，使二级模型到达相应的位置和姿态；

4)重复步骤3)的过程，直至获得整条预设轨迹，试验结束。

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