CN111272381B - 一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法 - Google Patents
一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法。该校准方法使用的梯形夹具的夹具框体为等腰梯形，夹具框体的上底上表面为水平基准面，夹具框体的下底下表面有凸台；夹具框体的中心圆孔上切有顶角范围为180°～300°的平行圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ，垂直于圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ的直缝将凸台切开；圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ之间的夹具框体构成弹性拉紧环，弹性拉紧环通过穿过凸台的拉紧螺栓Ⅱ和配装的拉紧螺母拉紧；夹具框体下底两端分别向外延伸出对称分布的左端头和右端头，每个端头均通过矩形连接框安装砝码托盘。该校准方法通过在砝码托盘上阶梯加载砝码，获得静态校准结果。该校准方法的单分量轮辐式滚转天平静态校准精度可达0.05％，准度为0.10％。
Description
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法。
背景技术
小滚转力矩测量技术在飞行器的高超声速风洞试验中有着广泛和迫切的需求，如小型化弹头在再入大气层的过程中由于弹头表面烧蚀会产生外形的不对称，从而使弹头产生一小的滚转力矩。当弹头滚转速率与俯仰速率接近时，容易发生滚转共振，当弹头的滚转速率接近零时，会导致弹头落点精度下降，而滚转速率直接同滚转力矩相关。国外在战略导弹的研制过程中都发生过由于滚转力矩导致的导弹损坏或落点精度下降的事故。因此，预测弹头再入气动特性，特别是提高小滚转力矩特性的精确预测能力，是飞行器设计中必须解决的关键技术问题。
目前，在高超声速风洞试验中发展了各种形式的滚转天平用于测量小滚转力矩，为导弹的滚控设计提供依据。而滚转天平性能的优劣，需要地面校准验证，因此精确校准高精度滚转天平的性能指标就显得尤为重要。现有的天平校准装置仅适用于常规的杆式天平，不适用于新发展的单分量轮辐式滚转天平。
当前，亟需发展一种专用的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法。
本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特点是，所述的校准方法使用的校准装置包括梯形夹具，梯形夹具的夹具框体为等腰梯形，夹具框体的上底上表面为水平基准面，夹具框体的下底下表面中心设置有凸台；
夹具框体中位线中点处开有安装单分量轮辐式滚转天平的圆孔，沿圆孔的圆周切有顶角范围为180°～300°的平行圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ，在圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ的最低点，即夹具框体下底下表面凸台处开有垂直于圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ的直缝，直缝将夹具框体的下底下表面的凸台切开，圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ之间的夹具框体构成弹性拉紧环，切开的凸台上开有水平通孔Ⅱ，拉紧螺栓Ⅱ穿过通孔Ⅱ，通过拉紧螺母和平垫Ⅱ拉紧弹性拉紧环；
夹具框体下底两端分别向外延伸出对称分布的左端头和右端头，每个端头的上表面为水平面，端头上开有竖直的通孔Ⅰ，通孔Ⅰ内固定有尖角朝上的顶尖；矩形连接框的顶面安装有顶帽，顶帽的轴线上竖直开有上小下大的锥形孔，矩形连接框套在端头上，顶尖顶在顶帽锥形孔的顶角上，顶尖与顶帽之间点接触；矩形连接框底面开有竖直的通孔，连杆从下至上穿入通孔中，连杆的顶端通过连杆限位螺母固定在矩形连接框的底面上，连杆的末端固定有砝码托盘；
夹具框体上还开有左右对称的减重孔；
所述的校准方法，包括以下步骤：
a.将尾支杆固定在天平校准系统上，再将连接件固定连接在尾支杆上，随后调节尾支杆的俯仰角度小于0.02°；
b.将单分量轮辐式滚转天平套在连接件前端柱段上；在单分量轮辐式滚转天平中心的平键槽孔处插入平键，防止单分量轮辐式滚转天平周向转动；在连接件前端柱段上依次套入平垫Ⅰ和弹性垫片，再通过拉紧螺栓Ⅰ将单分量轮辐式滚转天平竖直固定在连接件前端柱段上；
c.将梯形夹具套在单分量轮辐式滚转天平外圆上，使单分量轮辐式滚转天平和梯形夹具端面平行；调节梯形夹具轴向位置，使单分量轮辐式滚转天平处在圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ中间；
d.在梯形夹具上底上表面放置水平测量仪，调整梯形夹具滚转角度直至滚转角度小于0.02°；将拉紧螺栓Ⅱ穿过通孔Ⅱ，通过拉紧螺母和平垫Ⅱ拉紧弹性拉紧环，锁死单分量轮辐式滚转天平；
e.在梯形夹具上底上表面放置水平测量仪，测量梯形夹具滚转角度，若滚转角度大于0.02°，拆除拉紧螺母、平垫Ⅱ和拉紧螺栓Ⅱ；重复步骤d直至梯形夹具滚转角度小于0.02°；
f.在梯形夹具的夹具框体的左端头和右端头分别安装矩形连接框，夹具框体的顶尖顶在矩形连接框的顶帽锥形孔的顶点上；
g.在砝码托盘上阶梯加载砝码，首先在右边砝码托盘上添加8个0.1kg砝码，此时单分量轮辐式滚转天平的滚转力矩为1N·m；调节尾支杆使梯形夹具滚转角度小于0.02°，采集单分量轮辐式滚转天平电压输出；
h.将右边的砝码托盘上的8个0.1kg砝码逐个挪到左边的砝码托盘上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆直至梯形夹具滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平电压输出；最后，右边的砝码托盘上砝码个数为0，左边的砝码托盘上砝码个数为8，砝码从右边的砝码托盘挪至左边的砝码托盘上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平电压输出；
i.将左边的砝码托盘上的8个0.1kg砝码逐个挪到右边的砝码托盘上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆直至梯形夹具滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平电压输出；最后，左边的砝码托盘上砝码个数为0，右边的砝码托盘上砝码个数为8，砝码从左边的砝码托盘挪至右边的砝码托盘上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平电压输出；
j.重复步骤h和步骤i，完成所需的单分量轮辐式滚转天平正反方向重复静态校准；
k.将所获得的单分量轮辐式滚转天平电压输出转换为静态校准数据；根据静态校准数据，计算单分量轮辐式滚转天平性能指标。
所述的圆弧缝隙Ⅰ和圆弧缝隙Ⅱ之间的距离大于单分量轮辐式滚转天平的轮辐宽度。
所述的直缝宽度大于2mm。
所述的弹性拉紧环的内壁表面通过打磨进行表面粗糙处理，表面粗糙度范围为0.5μm～1μm。
或者，所述的弹性拉紧环的内壁粘贴有橡胶带。
所述的梯形夹具、矩形连接框、连杆和砝码托盘的材质为7075铝合金。
所述的顶帽与顶尖的材质为30CrMnSiA。
所述的单分量轮辐式滚转天平端面与尾支杆轴向垂直。
本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法具有以下优点：
1.使用的校准装置结构简单，拆卸方便，操作便捷；
2.梯形夹具采用一体成型加工，加工精度高，安装误差小；
3.梯形夹具、矩形连接框、连杆和砝码托盘均采用轻质高强度的7075铝合金材料加工，重量轻，有利于消除加载装置重力对滚转力矩校测结果的干扰；
4.梯形夹具的上底上表面的水平基准面可以检测校准装置的滚转角，确保校准数据的准确性。
本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法的单分量轮辐式滚转天平静态校准精度可达0.05％，准度达到0.10％。
附图说明
图1为本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的校准装置装配单分量轮辐式滚转天平示意图；
图2为本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的梯形夹具平面示意图；
图3为本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的梯形夹具圆弧缝隙示意图；
图4为本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的梯形夹具直缝示意图；
图5为本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的校准装置装配单分量轮辐式滚转天平、连接件和尾支杆示意图；
图6为采用本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法获得的单分量轮辐式滚转天平载荷曲线图；
图7为采用本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法获得的单分量轮辐式滚转天平静态校准拟合曲线。
图中，1.单分量轮辐式滚转天平，2.梯形夹具，3.连接件，4.尾支杆，5.顶帽，6.顶尖，7.矩形连接框，8.连杆限位螺母，9.连杆，10.砝码托盘，11.拉紧螺栓Ⅰ，12.弹性垫片，13.平垫Ⅰ，14.拉紧螺母，15.平垫Ⅱ，16.拉紧螺栓Ⅱ；
201.夹具框体，202.弹性拉紧环，203.通孔Ⅰ，204.通孔Ⅱ，205.圆弧缝隙Ⅰ，206.圆弧缝隙Ⅱ，207.直缝。
具体实施方案
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
如图1、2所示，本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的校准装置包括梯形夹具2，梯形夹具2的夹具框体201为等腰梯形，夹具框体201的上底上表面为水平基准面，夹具框体201的下底下表面中心设置有凸台；
如图3、4所示，夹具框体201中位线中点处开有安装单分量轮辐式滚转天平1的圆孔，沿圆孔的圆周切有顶角范围为180°～300°的平行圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206，在圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206的最低点，即夹具框体201下底下表面凸台处开有垂直于圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206的直缝207，直缝207将夹具框体201的下底下表面的凸台切开，圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206之间的夹具框体201构成弹性拉紧环202，切开的凸台上开有水平通孔Ⅱ204，拉紧螺栓Ⅱ16穿过通孔Ⅱ204，通过拉紧螺母14和平垫Ⅱ15拉紧弹性拉紧环202；
夹具框体201下底两端分别向外延伸出对称分布的左端头和右端头，每个端头的上表面为水平面，端头上开有竖直的通孔Ⅰ203，通孔Ⅰ203内固定有尖角朝上的顶尖6；矩形连接框7的顶面安装有顶帽5，顶帽5的轴线上竖直开有上小下大的锥形孔，矩形连接框7套在端头上，顶尖6顶在顶帽5锥形孔的顶角上，顶尖6与顶帽5之间点接触；矩形连接框7底面开有竖直的通孔，连杆9从下至上穿入通孔中，连杆9的顶端通过连杆限位螺母8固定在矩形连接框7的底面上，连杆9的末端固定有砝码托盘10；
夹具框体201上还开有左右对称的减重孔；
本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法使用的校准装置的安装示意图如图1、5所示，校准方法包括以下步骤：
a.将尾支杆4固定在天平校准系统上，再将连接件3固定连接在尾支杆4上，随后调节尾支杆4的俯仰角度小于0.02°；
b.将单分量轮辐式滚转天平1套在连接件3前端柱段上；在单分量轮辐式滚转天平1中心的平键槽孔处插入平键，防止单分量轮辐式滚转天平1周向转动；在连接件3前端柱段上依次套入平垫Ⅰ13和弹性垫片12，再通过拉紧螺栓Ⅰ11将单分量轮辐式滚转天平1竖直固定在连接件3前端柱段上；
c.将梯形夹具2套在单分量轮辐式滚转天平1外圆上，使单分量轮辐式滚转天平1和梯形夹具2端面平行；调节梯形夹具2轴向位置，使单分量轮辐式滚转天平1处在圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206中间；
d.在梯形夹具2上底上表面放置水平测量仪，调整梯形夹具2滚转角度直至滚转角度小于0.02°；将拉紧螺栓Ⅱ16穿过通孔Ⅱ204，通过拉紧螺母14和平垫Ⅱ15拉紧弹性拉紧环202，锁死单分量轮辐式滚转天平1；
e.在梯形夹具2上底上表面放置水平测量仪，测量梯形夹具2滚转角度，若滚转角度大于0.02°，拆除拉紧螺母14、平垫Ⅱ15和拉紧螺栓Ⅱ16；重复步骤d直至梯形夹具2滚转角度小于0.02°；
f.在梯形夹具2的夹具框体201的左端头和右端头分别安装矩形连接框7，夹具框体201的顶尖6顶在矩形连接框7的顶帽5锥形孔的顶点上；
g.在砝码托盘10上阶梯加载砝码，首先在右边砝码托盘10上添加8个0.1kg砝码，此时单分量轮辐式滚转天平1的滚转力矩为1N·m；调节尾支杆4使梯形夹具2滚转角度小于0.02°，采集单分量轮辐式滚转天平1电压输出；
h.将右边的砝码托盘10上的8个0.1kg砝码逐个挪到左边的砝码托盘10上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆4直至梯形夹具2滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平1电压输出；最后，右边的砝码托盘10上砝码个数为0，左边的砝码托盘10上砝码个数为8，砝码从右边的砝码托盘10挪至左边的砝码托盘10上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平1电压输出；
i.将左边的砝码托盘10上的8个0.1kg砝码逐个挪到右边的砝码托盘10上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆4直至梯形夹具2滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平1电压输出；最后，左边的砝码托盘10上砝码个数为0，右边的砝码托盘10上砝码个数为8，砝码从左边的砝码托盘10挪至右边的砝码托盘10上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平1电压输出；
j.重复步骤h和步骤i，完成所需的单分量轮辐式滚转天平1正反方向重复静态校准；
k.将所获得的单分量轮辐式滚转天平1电压输出转换为静态校准数据；根据静态校准数据，计算单分量轮辐式滚转天平1性能指标。
所述的圆弧缝隙Ⅰ205和圆弧缝隙Ⅱ206之间的距离大于单分量轮辐式滚转天平1的轮辐宽度。
所述的直缝207宽度大于2mm。
所述的弹性拉紧环202的内壁表面通过打磨进行表面粗糙处理，表面粗糙度范围为0.5μm～1μm。
所述的弹性拉紧环202的内壁粘贴有橡胶带。
所述的梯形夹具2、矩形连接框7、连杆9和砝码托盘10的材质为7075铝合金。
所述的顶帽5与顶尖6的材质为30CrMnSiA。
所述的单分量轮辐式滚转天平1端面与尾支杆4轴向垂直。
校准时，单分量轮辐式滚转天平进行阶梯加载砝码获得的载荷曲线见图6。
校准后，单分量轮辐式滚转天平的静态校准结果见表1，获得的单分量轮辐式滚转天平静态校准拟合曲线见图7。
由表1和图7可知，本发明的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准装置的单分量轮辐式滚转天平静态校准精度可达0.05％，准度达到0.10％。
表1为单分量轮辐式滚转天平的静态校准结果。
表1
Claims (8)
1.一种高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的校准方法使用的校准装置包括梯形夹具（2），梯形夹具（2）的夹具框体（201）为等腰梯形，夹具框体（201）的上底上表面为水平基准面，夹具框体（201）的下底下表面中心设置有凸台；
夹具框体（201）中位线中点处开有安装单分量轮辐式滚转天平（1）的圆孔，沿圆孔的圆周切有顶角范围为180°~300°的互相平行的圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206），在圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206）的最低点，即夹具框体（201）下底下表面凸台处开有垂直于圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206）的直缝（207），直缝（207）将夹具框体（201）的下底下表面的凸台切开，圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206）之间的夹具框体（201）构成弹性拉紧环（202），切开的凸台上开有水平通孔Ⅱ（204），拉紧螺栓Ⅱ（16）穿过通孔Ⅱ（204），通过拉紧螺母（14）和平垫Ⅱ（15）拉紧弹性拉紧环（202）；
夹具框体（201）下底两端分别向外延伸出对称分布的左端头和右端头，每个端头的上表面为水平面，端头上开有竖直的通孔Ⅰ（203），通孔Ⅰ（203）内固定有尖角朝上的顶尖（6）；矩形连接框（7）的顶面安装有顶帽（5），顶帽（5）的轴线上竖直开有上小下大的锥形孔，矩形连接框（7）套在端头上，顶尖（6）顶在顶帽（5）锥形孔的顶角上，顶尖（6）与顶帽（5）之间点接触；矩形连接框（7）底面开有竖直的通孔，连杆（9）从下至上穿入通孔中，连杆（9）的顶端通过连杆限位螺母（8）固定在矩形连接框（7）的底面上，连杆（9）的末端固定有砝码托盘（10）；
夹具框体（201）上还开有左右对称的减重孔；
所述的校准方法包括以下步骤：
a.将尾支杆（4）固定在天平校准系统上，再将连接件（3）固定连接在尾支杆（4）上，随后调节尾支杆（4）的俯仰角度小于0.02°；
b.将单分量轮辐式滚转天平（1）套在连接件（3）前端柱段上；在单分量轮辐式滚转天平（1）中心的平键槽孔处插入平键，防止单分量轮辐式滚转天平（1）周向转动；在连接件（3）前端柱段上依次套入平垫Ⅰ（13）和弹性垫片（12），再通过拉紧螺栓Ⅰ（11）将单分量轮辐式滚转天平（1）竖直固定在连接件（3）前端柱段上；
c.将梯形夹具（2）套在单分量轮辐式滚转天平（1）外圆上，使单分量轮辐式滚转天平（1）和梯形夹具（2）端面平行；调节梯形夹具（2）轴向位置，使单分量轮辐式滚转天平（1）处在圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206）中间；
d.在梯形夹具（2）上底上表面放置水平测量仪，调整梯形夹具（2）滚转角度直至滚转角度小于0.02°；将拉紧螺栓Ⅱ（16）穿过通孔Ⅱ（204），通过拉紧螺母（14）和平垫Ⅱ（15）拉紧弹性拉紧环（202），锁死单分量轮辐式滚转天平（1）；
e.在梯形夹具（2）上底上表面放置水平测量仪，测量梯形夹具（2）滚转角度，若滚转角度大于0.02°，拆除拉紧螺母（14）、平垫Ⅱ（15）和拉紧螺栓Ⅱ（16）；重复步骤d直至梯形夹具（2）滚转角度小于0.02°；
f.在梯形夹具（2）的夹具框体（201）的左端头和右端头分别安装矩形连接框（7），夹具框体（201）的顶尖（6）顶在矩形连接框（7）的顶帽（5）锥形孔的顶点上；
g.在砝码托盘（10）上阶梯加载砝码，首先在右边砝码托盘（10）上添加8个0.1kg砝码，此时单分量轮辐式滚转天平（1）的滚转力矩为1N·m；调节尾支杆（4）使梯形夹具（2）滚转角度小于0.02°，采集单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出；
h.将右边的砝码托盘（10）上的8个0.1kg砝码逐个挪到左边的砝码托盘（10）上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆（4）直至梯形夹具（2）滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出；最后，右边的砝码托盘（10）上砝码个数为0，左边的砝码托盘（10）上砝码个数为8，砝码从右边的砝码托盘（10）挪至左边的砝码托盘（10）上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出；
i. 将左边的砝码托盘（10）上的8个0.1kg砝码逐个挪到右边的砝码托盘（10）上，每挪一个砝码，均需调节尾支杆（4）直至梯形夹具（2）滚转角度小于0.02°后，采集单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出；最后，左边的砝码托盘（10）上砝码个数为0，右边的砝码托盘（10）上砝码个数为8，砝码从左边的砝码托盘（10）挪至右边的砝码托盘（10）上，一共采集了9次单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出；
j.重复步骤h和步骤i，完成所需的单分量轮辐式滚转天平（1）正反方向重复静态校准；
k.将所获得的单分量轮辐式滚转天平（1）电压输出转换为静态校准数据；根据静态校准数据，计算单分量轮辐式滚转天平（1）性能指标。
2.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的圆弧缝隙Ⅰ（205）和圆弧缝隙Ⅱ（206）之间的距离大于单分量轮辐式滚转天平（1）的轮辐宽度。
3.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的直缝（207）宽度大于2mm。
4.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的弹性拉紧环（202）的内壁表面通过打磨进行表面粗糙处理，表面粗糙度范围为0.5μm~1μm。
5.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的弹性拉紧环（202）的内壁粘贴有橡胶带。
6.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的梯形夹具（2）、矩形连接框（7）、连杆（9）和砝码托盘（10）的材质为7075铝合金。
7.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的顶帽（5）与顶尖（6）的材质为30CrMnSiA。
8.根据权利要求1所述的高超声速风洞单分量轮辐式滚转天平校准方法，其特征在于，所述的单分量轮辐式滚转天平（1）端面与尾支杆（4）轴向垂直。
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