CN111721493B - 一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，包括机身模型、机身模型天平、主旋翼、主旋翼驱动系统、变桨距机构、主旋翼天平、扭矩天平、尾桨和支撑系统，机身模型内设置尾桨天平、尾桨电机、尾桨传动机构；机身模型内设置第一刚性底板和基座，尾桨电机和尾桨传动机构通过基座与尾桨天平的浮动端连接，尾桨固定安装在尾桨传动机构的输出轴上，与机身模型的空间位置始终保持不变；尾桨电机和尾桨传动机构不与其它部件接触；支撑系统带动机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化。采用本发明的一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，实现了试验过程中机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化。

Description

一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置

技术领域

本发明涉及一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，属于风洞试验技术领域。

背景技术

直升机具有不依赖机场跑道、可实现垂直起降、空中悬停、前后左右飞行等特点，在国民经济建设和国防现代化建设中发挥着重要作用。特别是直升机具有快速、机动、超低空飞行、能抵达任何地形区域等突出特点和优势，在军事、保障和救援等应用中越来越广泛。

相比于固定翼飞机，直升机的空气动力特性、气动弹性和噪声等技术问题要复杂。各国研制直升机的经验和教训说明，作为快速、准确、经济的风洞试验在直升机研制过程中非常必要并起到了关键的作用。直升机的风洞试验包括全机及其部件试验，全机试验的装置通常包括动力传动系统(驱动旋翼、尾桨的动力源和传动机构)、模型(主旋翼、机身)/组合模型(旋翼+机身)、模型操纵控制装置(用于旋翼的转速、桨距以及旋翼和模型的姿态控制等)、测试装置(用于测量气动特性、气动弹性和噪声等)、以及安全监视和报警系统等。

为了准确模拟直升机的特性，直升机风洞试验的全机试验应包括尾桨以及主旋翼和尾桨间的干扰影响研究。由于风洞试验的模型相对于直升机实物采用缩比进行，这就导致了风洞试验时的尾桨转速要比真正的直升机尾桨的转速要高，因此会对风洞试验时尾桨的驱动提出更高要求，但由于现有技术条件特别是模型内部空间尺寸以及尾桨驱动机构复杂性等的限制，组合模型一般只包括主旋翼和机身，即使包含了尾桨也只是在模型外部布置尾桨的支撑、传动装置，而模型外部的尾桨支撑、传动装置会对主旋翼、机身模型和尾桨的周边流场产生较大干扰，对试验的精准度、效率等造成一定影响，另外风洞试验过程中机身模型的位置和姿态变化时，高速旋转尾桨的位置和姿态准确跟随也是一个难题。

中国专利申请CN108593243A公开了一种直升机组合模型试验装置，其中通过在专门的尾桨试验台设置与尾桨连接的四维移测架，根据机身偏航角、俯仰角的变化而改变位置，保证尾桨相对机身模型的相对位置不变。该专利中四维移测架会对主旋翼、机身模型和尾桨的周边流场产生较大干扰，从而降低试验的精准度，且效率较低，并且通过独立的四维移测架改变高速旋转尾桨的位置和姿态，并不能保证尾桨与机身模型的相对位置固定不变，从而同样会影响试验数据准确性。

风洞支撑系统在风洞试验中能够对飞机模型的俯仰角、偏航角、滚转角进行灵活控制，如中国专利申请CN201310011601.8。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，本发明能实现直升机机身模型以及主旋翼和尾桨的带动力组合风洞试验，试验过程中机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，包括机身模型、机身模型天平、主旋翼、主旋翼驱动系统、变桨距机构、主旋翼天平、扭矩天平和支撑系统，所述机身模型内设置尾桨天平、尾桨电机和尾桨传动机构，尾桨固定在尾桨传动机构的输出轴上，尾桨与机身模型的空间位置始终保持不变；尾桨的转速由尾桨电机通过尾桨传动机构驱动和调节，机身模型外部不再设置与尾桨连接的支撑装置和传动装置；

所述机身模型内设置第一刚性底板和基座，所述尾桨天平、机身模型天平和主旋翼天平的固定端与第一刚性底板固定连接，所述尾桨电机和尾桨传动机构通过基座与尾桨天平的浮动端连接，尾桨电机和尾桨传动机构不与其它部件接触；

所述支撑系统与第一支杆、第二刚性底板、第二支杆、第一刚性底板依次固定连接，支撑系统带动机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化。

在本发明中，通过主旋翼天平和扭矩天平获得主旋翼的气动载荷、通过尾桨天平获得尾桨的气动载荷、通过机身模型天平获得机身模型的气动载荷；通过主旋翼驱动系统控制主旋翼的转速，变桨距机构控制主旋翼桨距，尾桨电机控制尾桨转速；并且支撑系统通过第一支杆、第二刚性底板、第二支杆和第一刚性底板控制机身模型和主旋翼进行位置和姿态变化的同时，由于尾桨电机和尾桨传动机构通过基座与尾桨天平连接，而尾桨天平由于第一刚性底板连接，因此尾桨的位置和姿态会跟随机身模型、主旋翼的位置和姿态的变化而同时变化，从而保证尾桨与机身模型、主旋翼的相对位置不变。本发明中的尾桨不需要设置支撑装置和传动装置，减低其对试验模型周边流场的干扰，从而能够保障试验的精准度。

作为优选，所述尾桨传动机构位于机身模型尾部，包括依次连接的第一尾桨传动轴、第一齿轮换向器、第二尾桨传动轴和第二齿轮换向器，所述第一尾桨传动轴与尾桨电机连接，第二齿轮换向器与尾桨连接。

在上述方案中，通过尾桨传动机构将尾桨电机的动力传递给尾桨，通过尾桨电机控制尾桨的转速。

作为优选，还包括冷却润滑系统，所述尾桨电机采用强迫油冷却方式，第一齿轮换向器和第二齿轮换向器采用强迫油冷却和喷油润滑方式，冷却润滑油管从机身模型引出与冷却润滑系统连接。

在上述方案中，通过冷却润滑系统对尾桨电机及尾桨传动机构进行冷却润滑，保障其工作的稳定性。

作为优选，所述主旋翼天平、扭矩天平、机身模型天平、尾桨天平的电源和测量信号线缆，及主旋翼电机、变桨距机构电机的控制和动力电缆均由模型内部沿第一刚性底板、第二支杆和第二刚性底板引出，并沿第一支杆分别与外部的测量系统和控制系统相连。

作为优选，还包括控制系统，所述控制系统与尾桨电机、主旋翼驱动系统和变桨距机构控制电连接，用于实现风洞试验中需要的尾桨转速、主旋翼转速和主旋翼桨距变化。

作为优选，还包括测量系统，所述测量系统与尾桨天平、机身模型天平、主旋翼天平和扭矩天平测量电连接，用于实现风洞试验中尾桨、机身模型、主旋翼的气动载荷测量。

作为优选，所述基座具有容纳空间，尾桨电机和尾桨传动机构设置于容纳空间内。

在上述方案中，通过在基座内设置容纳空间，将尾桨电机和尾桨传动机构设置于容纳空间内，从而保证尾桨电机和尾桨传动机构不与其它部件接触；并且基座通过尾桨天平与第一刚性底板连接，从而保证基座不与机身模型接触。

作为优选，所述主旋翼驱动系统位于机身模型的流场影响区之外，包括主旋翼电机及与其连接的减速器和位于第二支杆内部的主传动轴，主旋翼电机和减速器设置于第二刚性底板上，主旋翼电机和减速机外部设置整流罩。

作为优选，所述主传动轴通过主旋翼天平、扭矩天平和变桨距机构与主旋翼的转动轴连接。

在上述方案中，通过将主旋翼驱动系统设置于机身模型的流场影响区之外，从而保证试验的精准度。

作为优选，所述主传动轴通过联轴器和扭矩天平与主旋翼的转动轴连接。

作为优选，所述变桨距机构的安装座与主旋翼天平的浮动端相连。

作为优选，所述机身模型安装于机身模型天平的浮动端上，机身模型不与其它部件接触。

本发明的一种直升机组合模型风洞试验的尾桨装置，依照以下次序安装：将第二支杆与安装好主旋翼电机和减速机的第二刚性底板连接，第二刚性底板通过第一支杆与支撑系统连接；第二支杆上端与第一刚性底板连接，并将主旋翼天平、机身模型天平和尾桨天平的固定端连接在第一刚性底板上；将主传动轴通过主旋翼天平、扭矩天平和变桨距机构与主旋翼的转动轴相连；将变桨距机构的安装座与主旋翼天平的浮动端相连；将尾桨电机、第一齿轮换向器、第二齿轮换向器依次安装在基座上，尾桨电机的输出轴依次与第一尾桨传动轴、第一齿轮换向器的输入轴通过联轴器连接，第一齿轮换向器的输出轴依次与第二尾桨传动轴、第二齿轮换向器的输入轴通过联轴器连接，并将基座整体与尾桨天平的浮动端连接；将尾桨电机、主旋翼电机和变桨距机构电机，及主旋翼天平、扭矩天平、机身模型天平和尾桨天平的相关电缆、冷却润滑油管从组合模型引出，沿第二支杆、第一支杆和支撑系统与周边的控制系统、测量系统和冷却润滑系统相连；将机身模型安装在机身天平的浮动端上；将尾桨安装在第二齿轮换向器的输出轴上；将整流罩安装在第二刚性底板上。通过以上步骤，完整设备的安装，调试正常，即刻开始相关的风洞试验。

本发明中，支撑系统能对包含主旋翼、尾桨和机身模型的位置和姿态进行一体化同时调整；主旋翼的转速根据要求由控制系统调节；尾桨的转速根据要求由控制系统调节；主旋翼的桨距根据要求由控制系统调节。完成以上控制后即可由机身模型天平、尾桨天平、主旋翼天平和扭矩天平通过测量系统开始相关的气动载荷的测量，另外通过模型周边布置的非接触传感器、传声器和摄像头等通过测量系统获取组合模型周围的流场、噪声和桨叶变形等数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、能够通过支撑系统控制机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化，减少驱动尾桨的外接装置的影响，提高试验精确的和效率；

2、满足包含机身、主旋翼和尾桨的直升机气动特性、气动弹性和噪声等方面研究而开展相关风洞试验的需要；

3、由于组合模型周边没有其它多余的构件对流场的影响，适于开展机身/旋翼/尾桨干扰特性研究，提高了试验的精准度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是试验装置结构示意图；

图2是试验装置尾部的结构示意图；

图3是基座和尾桨传动机构示意图；

图4是试验装置剖面图。

图中标记：1-机身模型、2-机身模型天平、3-主旋翼、4-变桨距机构、5-主旋翼天平、6-扭矩天平、7-尾桨传动机构、8-尾桨天平、9-支撑系统、10-尾桨电机、11-第一刚性底板、12-第二刚性底板、13-基座、14-尾桨、21-第一支杆、22-第二支杆、31-主旋翼电机、32-减速器、33-主传动轴、34-整流罩、71-第一尾桨传动轴、72-第一齿轮换向器、73-第二尾桨传动轴、74-第二齿轮换向器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本实施例的一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，包括机身模型1、机身模型天平2、主旋翼3、主旋翼驱动系统、变桨距机构4、主旋翼天平5、扭矩天平6和支撑系统9，所述机身模型1内设置尾桨天平8、尾桨电机10和尾桨传动机构7，尾桨14固定在尾桨传动机构7的输出轴上，尾桨14与机身模型1的空间位置始终保持不变；尾桨14的转速由尾桨电机10通过尾桨传动机构7驱动和调节，机身模型1外部不再设置与尾桨14连接的支撑装置和传动装置；

机身模型1内设置第一刚性底板11和基座13，所述尾桨天平8、机身模型天平2和主旋翼天平5的固定端与第一刚性底板11固定连接，尾桨电机10和尾桨传动机构7通过基座13与尾桨天平8的浮动端连接，尾桨电机10和尾桨传动机构7不与其它部件接触；

支撑系统9与第一支杆21、第二刚性底板12、第二支杆22、第一刚性底板11依次固定连接，支撑系统9带动机身模型1、主旋翼3和尾桨14的位置和姿态同时变化。

在本实施例中，通过主旋翼天平5和扭矩天平6获得主旋翼3的气动载荷、通过尾桨天平8获得尾桨14的气动载荷、通过机身模型天平2获得机身模型1的气动载荷；通过主旋翼驱动系统控制主旋翼3的转速，变桨距机构4控制主旋翼3桨距，尾桨电机10控制尾桨14转速；并且支撑系统9通过第一支杆21、第二刚性底板12、第二支杆22和第一刚性底板11控制机身模型1和主旋翼3进行位置和姿态变化的同时，由于尾桨电机10和尾桨传动机构7通过基座13与尾桨天平8连接，而尾桨天平8由于第一刚性底板11连接，因此尾桨14的位置和姿态会跟随机身模型1、主旋翼3的位置和姿态的变化而同时变化，从而保证尾桨14与机身模型1、主旋翼3的相对位置不变；因此尾桨14不需要单独设置支撑装置和传动装置，减低其对试验模型周边流场的干扰，从而能够保障试验的精准度。

作为优选，尾桨传动机构7位于机身模型1尾部，包括依次连接的第一尾桨传动轴71、第一齿轮换向器72、第二尾桨传动轴73和第二齿轮换向器74，第一尾桨传动轴71与尾桨电机10连接，第二齿轮换向器74与尾桨14连接，通过尾桨电机10控制尾桨14的转速。

作为优选，还包括冷却润滑系统，尾桨电机10采用强迫油冷却方式，第一齿轮换向器72和第二齿轮换向器74采用强迫油冷却和喷油润滑方式，冷却润滑油管从机身模型1引出与冷却润滑系统连接，通过冷却润滑系统对尾桨电机10及尾桨传动机构7进行冷却润滑，保障其工作的稳定性。

作为优选，主旋翼天平5、扭矩天平6、机身模型天平2、尾桨天平8的电源和测量信号线缆，及主旋翼电机31、变桨距机构4电机的控制和动力电缆均由模型内部沿第一刚性底板11、第二支杆22和第二刚性底板12引出，并沿第一支杆21分别与外部的测量系统和控制系统相连。

作为优选，还包括控制系统，控制系统与尾桨电机10、主旋翼驱动系统和变桨距机构4控制电连接，用于实现风洞试验中需要的尾桨14转速、主旋翼3转速和主旋翼3桨距变化。

作为优选，还包括测量系统，测量系统与尾桨天平8、机身模型天平2、主旋翼天平5和扭矩天平6测量电连接，用于实现风洞试验中尾桨14、机身模型1、主旋翼3的气动载荷测量。

作为优选，基座13具有容纳空间，尾桨电机10和尾桨传动机构7设置于容纳空间内，从而保证尾桨电机10和尾桨传动机构7不与其它部件接触；并且基座13通过尾桨天平8与第一刚性底板11连接，从而保证基座13不与机身模型1接触。

作为优选，主旋翼驱动系统位于机身模型1的流场影响区之外，包括主旋翼电机31及与其连接的减速器32和位于第二支杆22内部的主传动轴33，主旋翼电机31和减速器32设置于第二刚性底板12上，主旋翼电机31和减速机外部设置整流罩34，通过将主旋翼驱动系统设置于机身模型1的流场影响区之外，从而保证试验的精准度。

作为优选，主传动轴33通过主旋翼天平5、扭矩天平6和变桨距机构4与主旋翼3的转动轴连接。

作为优选，主传动轴33通过联轴器和扭矩天平6与主旋翼3的转动轴连接。

作为优选，变桨距机构4的安装座与主旋翼天平5的浮动端相连。

作为优选，机身模型1安装于机身模型天平2的浮动端上，机身模型1不与其它部件接触。

综上所述，采用本发明的一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，能够通过支撑系统控制机身模型、主旋翼和尾桨的位置和姿态同时变化，减少驱动尾桨的外接装置的影响，提高试验精确的和效率；满足包含机身、主旋翼和尾桨的直升机气动特性、气动弹性和噪声等方面研究而开展相关风洞试验的需要；由于组合模型周边没有其它多余的构件对流场的影响，适于开展机身/旋翼/尾桨干扰特性研究，提高了试验的精准度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，包括机身模型（1）、机身模型天平（2）、主旋翼（3）、主旋翼驱动系统、变桨距机构（4）、主旋翼天平（5）、扭矩天平（6）和支撑系统（9），其特征在于：所述机身模型（1）内设置尾桨天平（8）、尾桨电机（10）和尾桨传动机构（7），尾桨（14）固定在尾桨传动机构（7）的输出轴上，使尾桨（14）的位置和姿态会跟随机身模型（1）、主旋翼（3）的位置和姿态的变化而同时变化，尾桨（14）与机身模型（1）的空间位置始终保持不变；尾桨（14）的转速由尾桨电机（10）通过尾桨传动机构（7）驱动和调节，机身模型（1）外部不设置与尾桨（14）连接的支撑装置和传动装置；

所述机身模型（1）内设置第一刚性底板（11）和基座（13），所述尾桨天平（8）、机身模型天平（2）和主旋翼天平（5）的固定端与第一刚性底板（11）固定连接，所述尾桨电机（10）和尾桨传动机构（7）通过基座（13）与尾桨天平（8）的浮动端连接，尾桨电机（10）和尾桨传动机构（7）不与其它部件接触；

所述支撑系统（9）与第一支杆（21）、第二刚性底板（12）、第二支杆（22）、第一刚性底板（11）依次固定连接，支撑系统（9）带动机身模型（1）、主旋翼（3）和尾桨（14）的位置和姿态同时变化。

2.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述尾桨传动机构（7）位于机身模型（1）尾部，包括依次连接的第一尾桨传动轴（71）、第一齿轮换向器（72）、第二尾桨传动轴（73）和第二齿轮换向器（74），所述第一尾桨传动轴（71）与尾桨电机（10）连接，第二齿轮换向器（74）与尾桨（14）连接。

3.如权利要求2所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：还包括冷却润滑系统，所述尾桨电机（10）采用强迫油冷却方式，第一齿轮换向器（72）和第二齿轮换向器（74）采用强迫油冷却和喷油润滑方式，冷却润滑油管从机身模型（1）引出与冷却润滑系统连接。

4.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统与尾桨电机（10）、主旋翼驱动系统和变桨距机构（4）控制电连接，用于实现风洞试验中需要的尾桨（14）转速、主旋翼（3）转速和主旋翼（3）桨距变化。

5.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：还包括测量系统，所述测量系统与尾桨天平（8）、机身模型天平（2）、主旋翼天平（5）和扭矩天平（6）测量电连接，用于实现风洞试验中尾桨（14）、机身模型（1）、主旋翼（3）的气动载荷测量。

6.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述基座（13）具有容纳空间，尾桨电机（10）和尾桨传动机构（7）设置于容纳空间内。

7.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述主旋翼驱动系统位于机身模型（1）的流场影响区之外，包括主旋翼电机（31）及与其连接的减速器（32）和位于第二支杆（22）内部的主传动轴（33），主旋翼电机（31）和减速器（32）设置于第二刚性底板（12）上，主旋翼电机（31）和减速机外部设置整流罩（34）。

8.如权利要求7所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述主传动轴（33）通过联轴器和扭矩天平（6）与主旋翼（3）的转动轴连接。

9.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述变桨距机构（4）的安装座与主旋翼天平（5）的浮动端相连。

10.如权利要求1所述的具有独立尾桨装置的直升机组合模型风洞试验装置，其特征在于：所述机身模型（1）安装于机身模型天平（2）的浮动端上，机身模型（1）不与其它部件接触。

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