CN112268676B - 一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置 - Google Patents

一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置。该俯仰运动保护装置包括横向支撑，横向支撑的主体为管状支撑杆，管状支撑杆穿过飞行器模型的质心，将飞行器模型支撑在风洞试验段的中心轴线上；在风洞试验段外，横向支撑左侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承、机械限位机构以及抗冲击锥面锁紧机构，横向支撑右侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承、机械限位机构以及紧急强制回零机构。该俯仰运动保护装置能够为超声速风洞仿真试验的飞行器模型提供由弱至强的三级保护，具有结构可靠、控制方便的优点，具备较高的抵抗高能量冲击和强制回零等功能，能够拓展到在亚声速、跨声速风洞的两侧支撑模型系统中使用。

Description

一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置
技术领域
本发明属于超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置。
背景技术
为了准确测量飞行器在超声速飞行状态下的气动特性，需要构建能够模拟俯仰方向和滚转方向复合控制的虚拟飞行半实物仿真试验平台，这是发展直接力/气动力复合控制的验证试验技术提出的试验需求。
目前，国内外风洞虚拟飞行试验装置中，仅构建了不能模拟高压横向喷流的亚声速、跨声速的试验装置。
因为超声速试验中，模型系统、支撑系统等必定会承受非常大的激波冲击和气动载荷影响，要研制超声速风洞虚拟飞行试验系统，就必须充分考虑激波冲击、气动大载荷、失控状态等极端不利因素，充分保障试验的安全性。
当前，亟需发展一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置。
本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特点是，所述的俯仰运动保护装置包括横向支撑，横向支撑的主体为管状支撑杆，管状支撑杆穿过飞行器模型的质心，将飞行器模型支撑在风洞试验段的中心轴线上；在风洞试验段外，横向支撑左侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承、机械限位机构以及抗冲击锥面锁紧机构，横向支撑右侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承、机械限位机构以及紧急强制回零机构；
所述的机械限位机构包括机械限位块和可调变角块，机械限位块为活动端，可调变角块为固定端；可调变角块固定在风洞试验段的外壁上，与管状支撑杆之间有运动间隙；机械限位块固定在横向支撑的管状支撑杆上，跟随飞行器模型同步俯仰；机械限位块上设置有俯仰角度的上下限位，可调变角块滑动至上下限位的位置处实现机械锁死；
所述的抗冲击锥面锁紧机构包括固定在横向支撑的管状支撑杆上的锁紧离合器，锁紧离合器松开，飞行器模型进行自由俯仰运动，锁紧离合器锁死，飞行器模型在当时所处的攻角下停止自由俯仰运动；还包括位于锁紧离合器后方，垂直穿过横向支撑的管状支撑杆的直线滚珠丝杠、安装在直线滚珠丝杠滑块上的锁紧锥杆、以及与直线滚珠丝杠顺序连接的伞齿轮减速机和伺服电机Ⅰ，伺服电机Ⅰ控制直线滚珠丝杠自转并同时拖动锁紧锥杆前后移动，伞齿轮减速机控制直线滚珠丝杠的自转速度；
所述的紧急强制回零机构包括顺序安装在横向支撑的管状支撑杆上的过渡连接盘、驱动离合器和涡轮蜗杆减速机，管状支撑杆的出口端与涡轮蜗杆减速机的输出轴固定连接，伺服电机Ⅱ与涡轮蜗杆减速机的输入轴固定连接；驱动离合器松开，飞行器模型进行自由俯仰运动，驱动离合器锁死，在过渡连接盘的限制下驱动离合器锁死横向支撑，飞行器模型停止自由俯仰运动，涡轮蜗杆减速机将飞行器模型转回0°攻角。
进一步地，所述的机械限位块为对称的一个蝴蝶形限位块，机械限位块的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线内凹的接触面；可调变角块为与机械限位块匹配的另一个蝴蝶形限位块，在可调变角块的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线外凸的接触面；机械限位块的内凹的接触面与可调变角块的外凸的接触面滑动接触，当飞行器模型的自由俯仰运动到达正向攻角的极限位置时，可调变角块滑动至机械限位块的一个极限位置，横向支撑左侧的机械限位块的左上、右下的接触面卡紧，对应的横向支撑右侧的机械限位块的左下、右上的接触面卡紧，当飞行器模型的自由俯仰运动到达负向攻角的极限位置时，可调变角块滑动至机械限位块的另一个极限位置，横向支撑左侧的机械限位块的左下、右上的接触面卡紧，对应的横向支撑右侧的机械限位块的左上、右下的接触面卡紧。
进一步地，所述的机械限位块和可调变角块具有系列组件，根据超声速风洞试验需求更换组件，用以调整俯仰角范围。
进一步地，所述的机械限位块的材料为高强度合金钢，可调变角块的材料为铜合金，所述的抗冲击锥面锁紧机构的各部件材料均为高强度合金钢。
进一步地，所述的锁紧锥杆具有锥度1:10的锥面。
进一步地，所述的直线滚珠丝杠的丝杠轴与伞齿轮减速机、伺服电机Ⅰ通过联轴器连接。
进一步地，所述的伞齿轮减速机减速比为1:100。
进一步地，所述的锁紧锥杆的前端设置有与锁紧锥杆同心的同心孔板，同心孔板上开有通孔，锁紧锥杆向前运动插入同心孔板。
进一步地，所述的驱动离合器为牙嵌式离合器。
进一步地，所述的涡轮蜗杆减速机24的传动比为1:180，具备自锁功能，具有加厚齿面和两级涡轮蜗杆。
本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置具有以下特点：
第一，因为，在超声速半实物仿真试验中，模型系统需尽量与真实飞行器一致，飞行器模型的外型尺寸一般较大，特别是模型长度可能远大于风洞试验段截面高度，所以，本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置在机械机构中提供了限制模型俯仰角度运动范围的物理方式，机械限位机构能约束飞行器模型的俯仰角度，保证飞行器模型在预定的俯仰角度范围内无损伤运动。
第二，因为，在超声速风洞启动和停止时，风洞试验段中会产生明显的短时激波冲击，所以，本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置为模型系统设置了足够的保护措施以抵抗短时强能量冲击，抗冲击锥面锁紧机构在超声速风洞启动的过程中，能够提供紧固锥面锁紧，保证飞行器模型和支撑机构能够承受超声速气动带来的激波冲击。
第三，因为，飞行器模型的俯仰姿态在超声速状态下是通过横向喷流、舵面偏转进行控制的，所以，本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置为模型系统设置了足够的保护措施，在出现运动失控情况下，紧急强制回零机构能够使模型系统及时脱离失控状态，将模型系统运动到安全位置，在风洞模型试验中，如果出现模型不受控的紧急状态，能够强制离合，使模型系统从自由俯仰运动转变为可控的俯仰驱动，并将模型系统的俯仰角度运动到安全位置。
总体而言，本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置针对飞行器模型及横向支撑，在横向支撑的左右两侧同时布置可调俯仰角范围的机械限位机构，使不同类别的飞行器模型可以在不同的俯仰角度范围内运动；同时，在横向支撑的左侧还布置了抗冲击锥面锁紧机构、使模型系统在风洞启动和关闭时能够承受强激波冲击；在横向支撑的右侧还布置了紧急强制回零机构，使模型系统在失控时能快速进入人工控制状态。
具体而言，机械限位机构是为了防止试验过程中出现突发情况，在飞行器模型出现超调，姿态角超过设定值，或者模型角速度较大，电磁离合器无法锁定的情况下，避免损毁模型、天平、测试设备、风洞洞体结构等而采用的机械限位措施。因为，机械限位机构是保护模型系统和风洞洞体的最后方式，可靠性要求很高，同时，因为超声速风洞的巨大气动载荷影响，机械限位机构还应具有一定的缓冲保护作用，所以，机械限位块的材料选择高强度合金钢，并将机械限位机构的外型设计为蝶形对称结构且左右限位同步工作，在产生限位接触时，能够有4个面同步接触，提供足够的物理限制；同时，可调变角块的材料选择材质相对软的铜合金，用以吸收部分能量。本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的机械限位机构具有足够的强度刚度，能够承受10000N·m 的俯仰力矩冲击。
抗冲击锥面锁紧机构是为了应对超声速风洞试验的启动时产生的作用在飞行器模型和支撑部件上的强大的激波冲击而设置的保护措施，抵抗这个短时的强冲击需要非常稳定的结构。抗冲击锥面锁紧机构通过直线滚珠丝杠、锁紧锥杆、锁紧离合器、同心孔板的共同作用来抵抗激波冲击带给飞行器模型和横向支撑的能量。抗冲击锥面锁紧机构所有的零部件均采用拉伸强度超过1000Mpa 合金钢制造，直线滚珠丝杠的丝杠轴直径不小于Φ40mm。本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的抗冲击锥面锁紧机构具有足够的强度刚度，能够承受8000N·m的力矩冲击。
直接力/气动力复合控制试验技术一般能够保证飞行器模型通过横向喷流、舵面偏转等方式操作飞行器模型的俯仰角和滚转角，实现飞行器模型在安全范围内自由运动，但是，一旦出现飞行器模型不受控情况时，必须预先设置有紧急强制回零机构，通过紧急强制回零机构的驱动离合器实现飞行器模型从自由飞行试验状态转入外部驱动的人为控制状态。本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的紧急强制回零机构的驱动离合器上电后，通过过渡连接盘锁定横向支撑，再启动伺服电机驱动涡轮蜗杆减速机，通过涡轮蜗杆减速机以较高的减速比平稳地将模型系统姿态控制在预定的安全零位。本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的紧急强制回零机构具有足够的强度刚度，能够提供 4000N·m的力矩输出。
本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的紧急强制回零机构还可以作为飞行器模型的俯仰角度姿态控制机构使用，在超声速风洞中开展常规测力测压等类别试验。
本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置能够为超声速风洞仿真试验的飞行器模型提供由弱至强的三级保护；第一级，在超声速风洞仿真试验正常进行过程中，能够随时提供4000N·m的力矩控制飞行器模型的俯仰角度；第二级，当超声速仿真试验中出现失控状态时，保护装置能够提供8000N·m的力矩，使飞行器模型由失控状态变为约束静止状态；第三级，当第一级和第二级联合使用还不能够控制飞行器模型的失控状态时，机械限位结构能够提供不小于 10000N·m的力矩限制，使飞行器模型不超出约束范围，避免破坏模型系统和风洞结构。
本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置是针对超声速风洞中左右支撑的俯仰运动机构开发的一种风洞模型俯仰运动保护装置，是能够用于直接力/气动力复合控制超声速风洞试验的附属装置，具有结构可靠、控制方便的优点，具备较高的抵抗高能量冲击和强制回零等功能，能够拓展到在亚声速、跨声速风洞的两侧支撑模型系统中使用。
附图说明
图1为本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置的结构示意图；
图2为本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的机械限位机构立体图；
图3为本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的抗冲击锥面锁紧机构剖面图；
图4为本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的抗冲击锥面锁紧机构立体图；
图5为本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置中的紧急强制回零机构剖面图。
图中，10.飞行器模型 11.风洞试验段 12.运动轴承 13.横向支撑 14. 可调变角块 15.机械限位块 16.锁紧锥杆 17.直线滚珠丝杠 18.伞齿轮减速机 19.伺服电机Ⅰ 20.锁紧离合器 21.同心孔板 22.过渡连接盘 23. 驱动离合器 24.涡轮蜗杆减速机 25.伺服电机Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的超声速风洞模型俯仰运动保护装置包括横向支撑13，横向支撑13的主体为管状支撑杆，管状支撑杆穿过飞行器模型10的质心，将飞行器模型10支撑在风洞试验段11的中心轴线上；在风洞试验段11外，横向支撑13左侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承12、机械限位机构以及抗冲击锥面锁紧机构，横向支撑13右侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承 12、机械限位机构以及紧急强制回零机构；
如图2所示，所述的机械限位机构包括机械限位块15和可调变角块14，机械限位块15为活动端，可调变角块14为固定端；可调变角块14固定在风洞试验段11的外壁上，与管状支撑杆之间有运动间隙；机械限位块15固定在横向支撑13的管状支撑杆上，跟随飞行器模型10同步俯仰；机械限位块15上设置有俯仰角度的上下限位，可调变角块14滑动至上下限位的位置处实现机械锁死；
如图3、图4所示，所述的抗冲击锥面锁紧机构包括固定在横向支撑13的管状支撑杆上的锁紧离合器20，锁紧离合器20松开，飞行器模型10进行自由俯仰运动，锁紧离合器20锁死，飞行器模型10在当时所处的攻角下停止自由俯仰运动；还包括位于锁紧离合器20后方，垂直穿过横向支撑13的管状支撑杆的直线滚珠丝杠17、安装在直线滚珠丝杠17滑块上的锁紧锥杆16、以及与直线滚珠丝杠17顺序连接的伞齿轮减速机18和伺服电机Ⅰ19，伺服电机Ⅰ19 控制直线滚珠丝杠17自转并同时拖动锁紧锥杆16前后移动，伞齿轮减速机18 控制直线滚珠丝杠17的自转速度；
如图5所示，所述的紧急强制回零机构包括顺序安装在横向支撑13的管状支撑杆上的过渡连接盘22、驱动离合器23和涡轮蜗杆减速机24，管状支撑杆的出口端与涡轮蜗杆减速机24的输出轴固定连接，伺服电机Ⅱ25与涡轮蜗杆减速机24的输入轴固定连接；驱动离合器23松开，飞行器模型10进行自由俯仰运动，驱动离合器23锁死，在过渡连接盘22的限制下驱动离合器23锁死横向支撑13，飞行器模型10停止自由俯仰运动，涡轮蜗杆减速机24将飞行器模型 10转回0°攻角。
进一步地，所述的机械限位块15为对称的一个蝴蝶形限位块，机械限位块 15的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线内凹的接触面；可调变角块14为与机械限位块15匹配的另一个蝴蝶形限位块，在可调变角块 14的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线外凸的接触面；机械限位块15的内凹的接触面与可调变角块14的外凸的接触面滑动接触，当飞行器模型10的自由俯仰运动到达正向攻角的极限位置时，可调变角块14滑动至机械限位块15的一个极限位置，横向支撑13左侧的机械限位块15的左上、右下的接触面卡紧，对应的横向支撑13右侧的机械限位块15的左下、右上的接触面卡紧，当飞行器模型10的自由俯仰运动到达负向攻角的极限位置时，可调变角块14滑动至机械限位块15的另一个极限位置，横向支撑13左侧的机械限位块15的左下、右上的接触面卡紧，对应的横向支撑13右侧的机械限位块 15的左上、右下的接触面卡紧。
进一步地，所述的机械限位块15和可调变角块14具有系列组件，根据超声速风洞试验需求更换组件，用以调整俯仰角范围。
进一步地，所述的机械限位块15的材料为高强度合金钢，可调变角块14 的材料为铜合金，所述的抗冲击锥面锁紧机构的各部件材料均为高强度合金钢。
进一步地，所述的锁紧锥杆16具有锥度1:10的锥面。
进一步地，所述的直线滚珠丝杠17的丝杠轴与伞齿轮减速机18、伺服电机Ⅰ19通过联轴器连接。
进一步地，所述的伞齿轮减速机18减速比为1:100。
进一步地，所述的锁紧锥杆16的前端设置有与锁紧锥杆16同心的同心孔板21，同心孔板21上开有通孔，锁紧锥杆16向前运动插入同心孔板21。
进一步地，所述的驱动离合器23为牙嵌式离合器。
进一步地，所述的涡轮蜗杆减速机24的传动比为1:180，具备自锁功能，具有加厚齿面和两级涡轮蜗杆。
实施例1
本实施例的具体控制步骤如下：
1.风洞启动前，飞行器模型10的攻角为0°，锁紧离合器20、驱动离合器 23均处于啮合状态，锁紧锥杆16进入横向支撑13的锥孔内，整个俯仰运动保护装置处于全锁紧状态；风洞启动时，锁紧锥杆16和锁紧离合器20、驱动离合器23等一起抵御激波冲击；
2.在超声速风洞流场稳定后，首先退出锁紧锥杆16，然后解锁锁紧离合器 20、驱动离合器23，使飞行器模型10进入自由运动状态；
3.在超声速风洞试验过程中，飞行器模型10一旦进入失控状态，首先锁紧离合器20、驱动离合器23同时啮合以稳定飞行器模型10姿态，然后锁紧离合器20脱开并启动伺服电机Ⅱ25，驱动涡轮蜗杆减速机24使横向支撑13和飞行器模型10转动到零位；
4.在超声速风洞试验完成或飞行器模型10强制回到零位后，启动伺服电机Ⅰ19、伞齿轮减速机18、传动丝杠17，推动锁紧锥杆16前进到横向支撑13的锥孔内并套在同心孔板21中，连接锁紧离合器20和驱动离合器23通电，超声速风洞停车，整个俯仰运动保护装置共同抵御激波冲击。

Claims (10)

1.一种超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的俯仰运动保护装置包括横向支撑(13)，横向支撑(13)的主体为管状支撑杆，管状支撑杆穿过飞行器模型(10)的质心，将飞行器模型(10)支撑在风洞试验段(11)的中心轴线上；在风洞试验段(11)外，横向支撑(13)左侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承(12)、机械限位机构以及抗冲击锥面锁紧机构，横向支撑(13)右侧伸出的管状支撑杆上顺序安装有运动轴承(12)、机械限位机构以及紧急强制回零机构；
所述的机械限位机构包括机械限位块(15)和可调变角块(14)，机械限位块(15)为活动端，可调变角块(14)为固定端；可调变角块(14)固定在风洞试验段(11)的外壁上，与管状支撑杆之间有运动间隙；机械限位块(15)固定在横向支撑(13)的管状支撑杆上，跟随飞行器模型(10)同步俯仰；机械限位块(15)上设置有俯仰角度的上下限位，可调变角块(14)滑动至上下限位的位置处实现机械锁死；
所述的抗冲击锥面锁紧机构包括固定在横向支撑(13)的管状支撑杆上的锁紧离合器(20)，锁紧离合器(20)松开，飞行器模型(10)进行自由俯仰运动，锁紧离合器(20)锁死，飞行器模型(10)在当时所处的攻角下停止自由俯仰运动；还包括位于锁紧离合器(20)后方，垂直穿过横向支撑(13)的管状支撑杆的直线滚珠丝杠(17)、安装在直线滚珠丝杠(17)滑块上的锁紧锥杆(16)、以及与直线滚珠丝杠(17)顺序连接的伞齿轮减速机(18)和伺服电机Ⅰ(19)，伺服电机Ⅰ(19)控制直线滚珠丝杠(17)自转并同时拖动锁紧锥杆(16)前后移动，伞齿轮减速机(18)控制直线滚珠丝杠(17)的自转速度；
所述的紧急强制回零机构包括顺序安装在横向支撑(13)的管状支撑杆上的过渡连接盘(22)、驱动离合器(23)和涡轮蜗杆减速机(24)，管状支撑杆的出口端与涡轮蜗杆减速机(24)的输出轴固定连接，伺服电机Ⅱ(25)与涡轮蜗杆减速机(24)的输入轴固定连接；驱动离合器(23)松开，飞行器模型(10)进行自由俯仰运动，驱动离合器(23)锁死，在过渡连接盘(22)的限制下驱动离合器(23)锁死横向支撑(13)，飞行器模型(10)停止自由俯仰运动，涡轮蜗杆减速机(24)将飞行器模型(10)转回0°攻角。
2.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的机械限位块(15)为对称的一个蝴蝶形限位块，机械限位块(15)的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线内凹的接触面；可调变角块(14)为与机械限位块(15)匹配的另一个蝴蝶形限位块，在可调变角块(14)的左上、左下、右上、右下四个位置布置有面向水平对称线外凸的接触面；机械限位块(15)的内凹的接触面与可调变角块(14)的外凸的接触面滑动接触，当飞行器模型(10)的自由俯仰运动到达正向攻角的极限位置时，可调变角块(14)滑动至机械限位块(15)的一个极限位置，横向支撑(13)左侧的机械限位块(15)的左上、右下的接触面卡紧，对应的横向支撑(13)右侧的机械限位块(15)的左下、右上的接触面卡紧，当飞行器模型(10)的自由俯仰运动到达负向攻角的极限位置时，可调变角块(14)滑动至机械限位块(15)的另一个极限位置，横向支撑(13)左侧的机械限位块(15)的左下、右上的接触面卡紧，对应的横向支撑(13)右侧的机械限位块(15)的左上、右下的接触面卡紧。
3.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的机械限位块(15)和可调变角块(14)具有系列组件，根据超声速风洞试验需求更换组件，用以调整俯仰角范围。
4.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的机械限位块(15)的材料为高强度合金钢，可调变角块(14)的材料为铜合金，所述的抗冲击锥面锁紧机构的各部件材料均为高强度合金钢。
5.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的锁紧锥杆(16)具有锥度1:10的锥面。
6.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的直线滚珠丝杠(17)的丝杠轴与伞齿轮减速机(18)、伺服电机Ⅰ(19)通过联轴器连接。
7.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的伞齿轮减速机(18)减速比为1:100。
8.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的锁紧锥杆(16)的前端设置有与锁紧锥杆(16)同心的同心孔板(21)，同心孔板(21)上开有通孔，锁紧锥杆(16)向前运动插入同心孔板(21)。
9.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的驱动离合器(23)为牙嵌式离合器。
10.根据权利要求1所述的超声速风洞模型俯仰运动保护装置，其特征在于，所述的涡轮蜗杆减速机(24)的传动比为1:180，具备自锁功能，具有加厚齿面和两级涡轮蜗杆。
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