CN112268680A - 一种提高旋转天平试验准确性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高旋转天平试验准确性的方法，通过以下方式实现：首先判断得到旋转天平机构间隙是向远离旋转轴线的方向压紧；在连接固定滑块接头时通过人力向远离旋转轴线的方向扳动支杆，使滑块接头和支杆向机构间隙压紧的方向施加预紧载荷，以实现初始安装时减小机构间隙；然后在无风时直接旋转到本车次状态要求的最高转速，依靠最大惯性载荷进一步压紧机构间隙。通过本发明的方法在正式试验前将旋转天平机构间隙压紧到最小间隙，从而降低旋转天平试验数据不确定度，可得到更加准确的模型实际姿态角度数据。

Description

一种提高旋转天平试验准确性的方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，特别涉及一种提高旋转天平试验准确性的方法，用于低速风洞旋转天平试验中提高试验准确性。

背景技术

尾旋是飞机最复杂的飞行状态之一，它以超过失速迎角、较大的侧滑角、显著的滚转角速度及偏航角速度为主要特征。飞机一边滚转，一边偏航，在地心引力的作用下沿着半径很小的螺旋线下落，严重危及飞机飞行安全。因此，在飞机初步设计阶段到原型机试飞的整个研究过程中，预测飞机尾旋是一项十分重要的工作。在低速风洞中通过旋转天平试验开展尾旋特性研究是最常用的预测方法之一。

旋转天平试验提供的是旋转的飞机模型在流场中受到的气动力，它不但可以用来直接预测稳态尾旋平衡点及其性质，而且可以对飞机从尾旋的进入、发展到改出的时间历程计算提供较为准确的气动力数据。在风洞中进行旋转天平试验的主要目的是测定飞机模型在不同迎角和侧滑角时，以不同速率绕气流坐标轴系的x轴作等速旋转状态下的气动特性，为飞机尾旋特性的分析和预测提供必要的气动系数。

目前国内现有的旋转天平试验装置都是使用“弧形弯轨”+“滑块接头”的方式。飞机模型通过支杆固定在滑块接头上，滑块接头固定在弧形弯轨上，滑块接头可以在弧形弯轨上等间隔滑动来改变模型俯仰角。风洞试验时弧形弯轨绕旋转天平试验机构轴线旋转可以实现飞机模型的圆锥运动状态。

在旋转天平试验中旋转速度较快，最高旋转速度可达300转/分。由于滑块接头和支杆不在旋转轴线上，而且模型俯仰角越大滑块接头和支杆离旋转轴线越远，所以滑块接头和支杆在试验过程中承受很大惯性载荷。在惯性载荷的作用下，支杆与滑块接头之间的间隙会被压紧，滑块接头与弧形弯轨之间的间隙也会被压紧。由于机构间隙的压紧，模型的俯仰角度会发生变化，则模型初始安装俯仰角度已经不能反映模型的真实俯仰角度，而是存在一个角度偏差。在旋转天平试验过程中一般按照一个转速序列来开展试验，即转速由低到高逐渐增大。随着转速的增大，惯性载荷也增大，则机构间隙被压紧越多，模型的俯仰角度也会发生更大变化，角度偏差也越大。

旋转天平试验中，一般采用某车次下相同转速下正向和反向旋转数据取平均的方式来处理惯性载荷试验数据，这就要求正向和反向旋转的试验状态一致。但是，例如当先开展正向旋转试验时，随着转速的增大，惯性载荷也增大，则机构间隙被压紧越多，机构间隙也越来越小，所以正向旋转试验时不同转速下的机构间隙不一样，模型实际俯仰角度也不一样。当正向旋转试验结束后开展反向旋转试验时，由于试验机构已经承受过正向旋转最大转速下的最大惯性载荷，则机构间隙已经被压紧到最小间隙，所以反向旋转试验时不同转速下的机构间隙基本一致，模型实际俯仰角度也基本一致。因此反向旋转时较小转速的模型实际俯仰角度与正向旋转时相同转速的模型实际俯仰角度会存在偏差，则正向和反向旋转数据取平均时会给试验数据带来偏差，主要是由于正反向旋转时模型实际俯仰角度不一致带来的偏差，从而增大了试验数据的不确定度。

鉴于旋转天平试验准确性对飞机飞行安全的重要影响，有必要对减小试验误差的方法进行深入研究。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，从减小旋转天平试验机构间隙方面入手，提供了一种提高旋转天平试验准确性的方法，通过在正式试验前将旋转天平机构间隙压紧到最小间隙，保证正式试验时正向和反向旋转的模型实际俯仰角度基本一致，以减小试验数据的不确定度，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

一种提高旋转天平试验准确性的方法，包括：

步骤(1)，首先判断旋转天平试验机构间隙的压紧方向，旋转天平试验机构间隙是向远离旋转轴线的方向压紧；

步骤(2)，当模型姿态调整时，首先将滑块接头在弧形弯轨上滑动到对应的固定孔位处，然后将滑块接头固定在弧形弯轨上，将模型固定在支杆上；在固定滑块接头时通过人力向远离旋转天平试验机构轴线的方向扳动支杆，以实施初始安装时减小机构间隙；

步骤(3)，安装完成后，测量得到支杆的实际俯仰角θ₀，根据模型姿态角度耦合公式计算得到初始迎角α₀和初始侧滑角β₀所对应的支杆的滚转角

并将支杆调整到滚转角

步骤(4)，无风时直接旋转弧形弯轨到本车次状态要求的最高转速，依靠最大惯性载荷压紧机构间隙；

步骤(5)，弧形弯轨旋转停止后，再次测量支杆的实际俯仰角θ₁，用该实际俯仰角θ₁和支杆滚转角

计算得到最终的模型实际迎角α₁和侧滑角β₁；

步骤(6)，通过上述步骤(1)～(5)，旋转天平机构间隙已经压紧到本车次的最小间隙，正式开展旋转天平试验。

根据本发明提供的一种提高旋转天平试验准确性的方法，具有以下有益效果：

本发明中方法能够在正式试验前将旋转天平机构间隙压紧到最小间隙，从而降低旋转天平试验数据不确定度，可得到更加准确的模型实际姿态角度数据。

附图说明

图1示出旋转天平试验机构示意图；

图2示出本发明一种优选实施方式中支杆和滑块接头连接示意图；

图3示出本发明一种优选实施方式中主体连接段与锥套连接板的连接示意图；

图4示出本发明一种优选实施方式中弧形弯轨连接段与弧形弯轨的连接示意图；

附图标号说明

1-模型；2-支杆；3-滑块接头；311-锥套；312-锥套连接板；313-第一螺纹连接件；314-第二螺纹连接件；32-主体连接段；33-弧形弯轨连接段；4-弧形弯轨；41-第三螺纹连接件；5-固定孔位；6-机构主轴；7-支撑底座；8-配重；9-旋转天平试验机构轴线；10-人力扳动方向。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种提高旋转天平试验准确性的方法，如图1所示，该旋转天平试验机构包括支杆2、滑块接头3、弧形弯轨4、机构主轴6、支撑底座7和配重8，待测模型1通过支杆2固定在滑块接头3上，滑块接头3通过连接件与弧形弯轨4上加工的固定孔位5配合固定在弧形弯轨4上，滑块接头3可以在弧形弯轨4上滑动来改变模型1的俯仰角。配重8安装在弧形弯轨4上，与滑块接头3位置相对，用于平衡滑块接头3一侧的重量，使旋转平稳；弧形弯轨4与机构主轴6连接，机构主轴6安装在支撑底座7上，风洞试验时弧形弯轨4在机构主轴6的带动下绕旋转天平试验机构轴线9旋转可以实现模型1的圆锥运动状态。该一种提高旋转天平试验准确性的方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)，首先判断旋转天平试验机构间隙的压紧方向。风洞试验时弧形弯轨绕旋转天平试验机构轴线9旋转，由于滑块接头3和支杆2不在旋转天平试验机构轴线9上，所以滑块接头3和支杆2在试验时承受的是远离旋转轴线的离心力，因此旋转天平试验机构间隙是向远离旋转轴线的方向压紧，如标号10所指示的方向；

步骤(2)，当模型姿态调整时，首先将滑块接头3在弧形弯轨4上滑动到对应的固定孔位5处，然后将滑块接头3固定在弧形弯轨4上，将模型1固定在支杆2上；在固定滑块接头3时通过人力向远离旋转天平试验机构轴线9的方向扳动支杆2，使滑块接头3和支杆2向机构间隙压紧的方向施加预紧载荷，以实现初始安装时减小机构间隙；

步骤(3)，安装完成后，测量得到支杆2的实际俯仰角θ₀，根据模型姿态角度耦合公式计算得到初始迎角α₀和初始侧滑角β₀所对应的支杆2的滚转角

并将支杆2调整到滚转角

模型姿态角度耦合公式如下两式所示：

cosθ＝cosα×cosβ；

式中，α为迎角，β为侧滑角，θ为俯仰角，

为滚转角。

步骤(4)，无风时直接旋转弧形弯轨4到本车次状态要求的最高转速，依靠最大惯性载荷进一步压紧机构间隙；

步骤(5)，弧形弯轨4旋转停止后，再次测量支杆2的实际俯仰角θ₁，用该实际俯仰角θ₁和支杆2滚转角

计算得到最终的模型实际迎角α₁和侧滑角β₁；

步骤(6)，通过上述步骤(1)～(5)，旋转天平机构间隙已经压紧到本车次的最小间隙，正式开展旋转天平试验。

在本发明中，步骤(2)中，支杆2和滑块接头3通过插入式安装固定。如图2所示，所述支杆2的末端为直径逐渐减小的锥台结构，锥台结构小端轴向加工有螺纹孔，滑块接头3为分体式结构，包括支杆连接段、中段主体连接段32和弧形弯轨连接段33，该支杆连接段为锥套结构，包括锥套311和锥套连接板312，锥套小端开设有允许第一螺纹连接件313穿过的通孔，支杆末端的锥台结构插入锥套311中，并通过旋紧第一螺纹连接件313的方法把支杆末端的锥台拉入到滑块接头3的锥套311中，使锥台与锥套311紧密配合，锥台与锥套311是锥面配合，其间隙较小；锥套连接板312通过第二螺纹连接件314和定位销与中段主体连接段32连接固定。进一步地，主体连接段32与锥套连接板312连接的一端具有双平板结构，锥套连接板312插入到主体连接段32双平板结构之间的凹槽内，通过第二螺纹连接件314和定位销固定连接，见图3。此时，支杆2与滑块接头3之间的间隙主要是第二螺纹连接件314处的间隙。

本发明人对支杆2和滑块接头3之间的固定方式进行了研究，发现采用上述锥台-锥套配合方式、并通过第一螺纹连接件313如螺钉或螺栓的辅助，能够便利的调节支杆的滚转角

且滑块接头3和支杆2之间的间隙被压紧后成锁定状态，不会恢复。

在本发明中，步骤(2)中，如图4所示，滑块接头3上与弧形弯轨4连接的弧形弯轨连接段33具有双平板结构，弧形弯轨连接段33的双平板结构夹在弧形弯轨4两侧加工的凹槽内，通过第三螺纹连接件41及定位销将滑块接头3与弧形弯轨4固定连接。本发明中，螺纹连接件包括但不限于螺栓和螺钉。

此时，滑块接头与弧形弯轨之间的间隙主要是第三螺纹连接件41处的间隙。

在本发明中，步骤(2)中，滑块接头3采用7A04硬铝材质，在保证强度的前提下尽量减重。上述材质的滑块接头3机械强度大，硬度高，在间隙被压紧后，滑块接头3能够保持压紧状态，不易恢复。

在本发明步骤(4)中，机构间隙压紧时，旋转弧形弯轨4在本车次状态要求的最高转速下维持1～10s，再自然降速至停止。

在本发明步骤(6)中，在进行任意车次试验前，重新实施步骤(1)～(5)，将旋转天平机构间隙压紧至该车次下最小间隙。

在本发明步骤(6)中，在一车次下，由于需要进行不同转速下的正转和反转试验，采用转速由低到高的方式，先进行同一方向下的旋转试验，然后再进行反方向下的旋转试验。

或者，在一车次下，先在一个转速下实施完正向和反向旋转试验后，再提高转速进行该转速下的正向和反向旋转试验，转速由低到高逐渐增加，直至完成所有转速和方向下旋转试验。

实施例

实施例1

在进行飞机尾旋模拟试验前，采用本发明中方法以提高检测准确性，步骤具体如下：

(1)首先判断旋转天平机构间隙的压紧方向，旋转天平机构间隙是向远离旋转天平试验机构轴线9的方向压紧；

(2)当模型姿态调整时，先将滑块接头3在弧形弯轨4上滑动到对应的固定孔位5处，然后将滑块接头3固定在弧形弯轨4上，将模型1固定在支杆2上；其中，支杆2、滑块接头3和弧形弯轨4的固定方式如图2～图4所示。在连接固定滑块接头3时通过人力向远离旋转轴线的方向10扳动支杆2，使滑块接头3和支杆2向机构间隙压紧的方向施加预紧载荷，以实现初始安装时减小机构间隙；

(3)安装完成后，测量得到支杆2实际俯仰角θ₀，根据模型姿态角度耦合公式计算得到模型初始迎角α₀和初始侧滑角β₀所对应的支杆2滚转角

并将支杆2调整到滚转角

(4)无风时直接旋转弧形弯轨4到本车次状态要求的最高转速，依靠最大惯性载荷进一步压紧机构间隙；

(5)旋转停止后，再次测量得到支杆(2)实际俯仰角θ₁，用最终测量得到支杆(2)实际俯仰角θ₁和支杆(2)滚转角

计算得到最终的模型实际迎角α₁和侧滑角β₁。

(6)旋转天平机构间隙已经压紧到最小间隙，开展正式试验。

实验结果如下表1所示：

表1

通过采用本发明的试验方法，机构间隙被压紧，实际俯仰角与初始俯仰角偏差Δθ＝0.3°，说明机构间隙被压紧了0.3°。一般风洞试验的角度误差要求在0.05°之内，像旋转天平试验这类特殊试验角度误差可以放宽到0.1°之内。机构间隙压紧的角度明显超过了试验角度误差要求，所以压紧机构间隙对减少试验误差是非常必要的。

实际迎角与初始设定迎角的偏差为Δα＝0.42°，实际侧滑角与初始设定侧滑的偏差为Δβ＝0.19°。说明试验机构间隙的角度偏差带来了模型姿态角度(迎角和侧滑角)的较大偏差，旋转天平试验最终测量得到是气动力数据，如果以初始设定姿态角度来使用气动力数据会带来较大的偏差，而应该用实际姿态角度来使用气动力数据。所以获得更为准确的模型实际姿态角度数据是非常必要的。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，首先判断旋转天平试验机构间隙的压紧方向，旋转天平试验机构间隙是向远离旋转轴线的方向压紧；

步骤(2)，当模型姿态调整时，首先将滑块接头在弧形弯轨上滑动到对应的固定孔位处，然后将滑块接头固定在弧形弯轨上，将模型固定在支杆上；在固定滑块接头时通过人力向远离旋转天平试验机构轴线的方向扳动支杆，以实施初始安装时减小机构间隙；

步骤(3)，安装完成后，测量得到支杆的实际俯仰角θ₀，根据模型姿态角度耦合公式计算得到初始迎角α₀和初始侧滑角β₀所对应的支杆的滚转角

并将支杆调整到滚转角

步骤(4)，无风时直接旋转弧形弯轨到本车次状态要求的最高转速，依靠最大惯性载荷压紧机构间隙；

步骤(5)，弧形弯轨旋转停止后，再次测量支杆的实际俯仰角θ₁，用该实际俯仰角θ₁和支杆滚转角

计算得到最终的模型实际迎角α₁和侧滑角β₁；

步骤(6)，通过上述步骤(1)～(5)，旋转天平机构间隙已经压紧到本车次的最小间隙，正式开展旋转天平试验。

2.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(2)中，支杆和滑块接头通过插入式安装固定，所述支杆的末端为直径逐渐减小的锥台结构，锥台结构小端轴向加工有螺纹孔，滑块接头的支杆连接段包括锥套和锥套连接板，锥套小端开设有允许第一螺纹连接件穿过的通孔，支杆末端的锥台结构插入锥套中，并通过旋紧第一螺纹连接件将支杆末端的锥台拉入到锥套中，使锥台与锥套紧密配合；锥套连接板与滑块接头中段的主体连接段连接，主体连接段与锥套连接板连接的一端具有双平板结构，锥套连接板插入到主体连接段双平板结构之间的凹槽内，通过第二螺纹连接件及定位销固定连接。

3.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(2)中，滑块接头中与弧形弯轨连接的弧形弯轨连接段具有双平板结构，弧形弯轨连接段的双平板结构夹在弧形弯轨两侧加工的凹槽内，通过第三螺纹连接件及定位销将滑块接头与弧形弯轨固定连接。

4.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(2)中，滑块接头采用7A04硬铝材质。

5.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(4)中，机构间隙压紧时，旋转弧形弯轨在本车次状态要求的最高转速下维持1～10s，再自然降速至停止。

6.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(6)中，在进行任意车次试验前，重新实施步骤(1)～(5)，将旋转天平机构间隙压紧至该车次下最小间隙。

7.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(6)中，在一车次下，采用转速由低到高的方式，先进行同一方向下的旋转试验，然后再进行反方向下的旋转试验。

8.根据权利要求1所述的提高旋转天平试验准确性的方法，其特征在于，步骤(6)中，在一车次下，先在一个转速下实施完正向和反向旋转试验后，再提高转速进行该转速下的正向和反向旋转试验，转速由低到高逐渐增加，直至完成所有转速和方向下旋转试验。

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