CN113092006B - 一种飞机模型转动惯量测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开的一方面涉及一种飞机模型转动惯量测量装置，包括转动部分，其包括转轴和固定装置；悬挂部分，其用于悬挂转动部分以使得转轴处于水平方向并且使得悬挂部分能绕转轴自由转动；以及附加质量部分，其用于添加重心低于转轴的附加质量。本公开的其他方面还包括相应的飞机模型转动惯量测量方法，用于测量摆动次数和相应的摆动时间并基于摆动次数、摆动时间、附加质量块的质量及其重心离转轴的距离来确定飞机模型的转动惯量。

Description

一种飞机模型转动惯量测量装置和测量方法

技术领域

本申请一般涉及转动惯量测量，尤其涉及用于飞机动力学模型试验的转动惯量测量。

背景技术

在开展一些飞机动力学模型试验时，需要测量模型的转动惯量，并通过公式转换保证其与全尺寸飞机转动惯量之间满足一定的相似准则。转动惯量的准确测量对于模拟飞机的动态响应至关重要。

目前通常采用的方法是例如基于双线摆法的飞机模型转动惯量测量方案，即采用两根钢索悬挂一根均质金属杆形成悬挂系统，该金属杆通过卡圈与飞机模型进行连接，要求该金属杆保持水平状态，并且飞机模型的重心需要位于通过水平杆中心点的铅垂线上。使飞机模型连同悬挂系统产生稳定的扭摆运动，使用秒表测量其摆动周期，最后根据物理摆公式计算出飞机模型的转动惯量。该方法对于金属杆的水平安装以及金属杆与飞机模型连接位置的要求较高，需要较大的安装空间，且转动惯量的测量精度依赖于钢索长度和水平杆长等因素。

因此，本领域需要改进的用于飞机动力学模型试验的转动惯量测量方案。

发明内容

本公开的一方面涉及一种飞机模型转动惯量测量装置，包括转动部分，其包括转轴和固定装置，该固定装置用于固定飞机模型以使得该飞机模型与该转轴之间不发生相对转动，并使该转轴穿过该飞机模型的设计重心；悬挂部分，其用于悬挂该转动部分以使得该转轴处于水平方向并且使得该悬挂部分能绕该转轴自由转动；以及附加质量部分，其用于添加重心低于该转轴的附加质量，并使得该飞机模型在被该固定装置固定之后在平衡状态下该飞机模型的重心的重力方向穿过该附加质量部分的重心。

根据一示例性实施例，该固定装置进一步用于以多个不同方向固定该飞机模型，以测量该飞机模型在该多个不同方向上的转动惯量。

根据一示例性实施例，该多个不同方向包括以下一者或多者或其任何组合：俯仰、滚转、以及偏航。

根据一示例性实施例，该固定装置包括用于固定在该飞机模型内部的至少两块重心板，该至少两块重心板固定在该转轴的两侧或一侧，并且其间隔开固定该飞机模型所需的距离。

根据一示例性实施例，该附加质量部分包括下悬臂和附加质量块，其中，当该至少两块重心板固定在该转轴的两侧时，该下悬臂包括直臂，而当该至少两块重心板固定在该转轴的一侧时，该下悬臂包括曲臂。

根据一示例性实施例，该下悬臂的上端固定连接在该转轴的中央，并且该下悬臂的下端与该附加质量块固定连接并使该下悬臂的方向穿过该附加质量块的重心。

根据一示例性实施例，该附加质量块的重心离该转轴的距离在1米到1.5米的范围中。

根据一示例性实施例，该悬挂部分包括上悬臂，用于悬挂该转轴以使得该上悬臂能绕该转轴自由转动；以及悬挂框，用于以一个或多个可调节的高度固定悬挂该上悬臂。

根据一示例性实施例，该悬挂部分还包括挂钩，用于固定悬挂该悬挂框。

本公开的另一方面涉及一种飞机模型转动惯量测量方法，包括悬挂转轴以使得该转轴处于水平方向并能够自由转动；将飞机模型固定到该转轴上以使得该飞机模型与该转轴之间不发生相对转动，并使该转轴穿过该飞机模型的设计重心；将附加质量块固定到该转轴上以使得该附加质量块的重心低于该转轴，并使得在平衡状态下该飞机模型的重心的重力方向穿过该附加质量块的重心；使该飞机模型和该附加质量块形成复摆以绕该转轴进行摆动；测量摆动次数和相应的摆动时间；以及基于该摆动次数、该摆动时间、该附加质量块的质量、以及该附加质量块的重心离该转轴的距离来确定该飞机模型的转动惯量。

根据一示例性实施例，该方法进一步包括以多个不同方向固定该飞机模型，以测量该飞机模型在该多个不同方向上的转动惯量。

根据一示例性实施例，该多个不同方向包括以下一者或多者或其任何组合：俯仰、滚转、以及偏航。

根据一示例性实施例，该附加质量块的重心离该转轴的距离在1米到1.5米的范围中。

根据一示例性实施例，使该飞机模型和该附加质量块形成复摆以绕该转轴进行摆动包括使摆动角度在3°到5°的范围中。

根据一示例性实施例，基于该摆动次数、该摆动时间、该附加质量块的质量、以及该附加质量块的重心离该转轴的距离来确定该飞机模型的转动惯量包括基于该摆动次数和该摆动时间确定该附加质量块的固有频率；基于该附加质量块的固有频率和质量及其重心离该转轴的距离来确定该复摆的转动惯量；以及基于该复摆的转动惯量以及该附加质量块的质量及其重心离该转轴的距离来确定该飞机模型的转动惯量。

附图说明

图1示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置的示意图。

图2进一步示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置的局部的示意图。

图3示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置的示意图。

图4示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量方案的示意图。

图5示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量方法的流程图。

具体实施方式

针对目前基于双线摆法的飞机模型转动惯量测量方案存在的安装连接要求高、所需空间大等缺点和不足，本申请提出了基于复摆法的飞机模型转动惯量测量方案。

图1示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置100的示意图。

如图1中所示，根据本公开示例性实施例的飞机模型转动惯量测量装置100可包括挂钩102、悬挂框104、上悬臂106、转轴108、至少两块重心板110、下悬臂112和附加质量块114等。挂钩102固定在悬挂框104上，用于将飞机模型转动惯量测量装置100悬挂在例如固定梁(未示出)上。尽管本示例性实施例中示出了使用挂钩102和悬挂框104作为便于悬挂飞机模型转动惯量测量装置100的悬挂机构的示例，但是如本领域普通技术人员可知，本公开并不被限定于使用挂钩102和悬挂框104的悬挂结构，而是也可以替换地或补充地使用其他能将飞机模型转动惯量测量装置100悬挂于固定梁上的其他悬挂装置或机构。另外，挂钩和/或悬挂框的个数也并非仅限于如图1中所示的一个，而是可以包括例如两个或更多个。这些变形均在本公开的范围之内。

根据进一步的实施例，在使用悬挂框104的情况下，悬挂框104上可以包括多组螺栓孔，用于与上悬臂106连接，从而可适用于不同悬挂高度的需要。

根据示例性实施例，飞机模型转动惯量测量装置100可以包括至少一个上悬臂106。根据优选实施例，飞机模型转动惯量测量装置100两侧可以各有至少一个上悬臂106。上悬臂106的上端通过例如螺栓与悬挂框4的固定连接，转轴108穿过上悬臂106下端的孔，以使得上悬臂106可绕转轴108自由转动。尽管本示例性实施例中示出了螺栓连接，但是本领域普通技术人员可以理解，本公开并不被限定于此，而是也可以使用其他的固定连接上悬臂106和悬挂框104(或其他悬挂机构)的装置、机构或手段。根据其他实施例，两侧的上悬臂106和悬挂框104(或其他悬挂机构)也可以被一体化成形。

根据示例性实施例，转轴108可配合到上悬臂106的下端孔。例如，上悬臂106的下端孔与转轴可以为间隙配合，以使得上悬臂106可绕转轴108自由转动。

根据示例性实施例，转轴108可以穿过重心板110的重心孔以与重心板110固定连接并从而与转轴108固定连接而不发生相对转动。例如，转轴108与重心板110的重心孔可以通过平键连接。但是本公开并不被限定于此，而是可以涵盖其他使得转轴108与重心板110固定连接的装置、机构或手段。取决于飞机模型的安装方式，重心板可以安装在转轴的两侧，也可以安装在转轴的同一侧并且其间可隔开所需的距离以便于安装飞机模型。这将在下文进一步具体描述。

根据示例性实施例，每一块重心板110可以用于通过至少三个不成一直线螺栓孔固定在飞机模型内部以使得飞机模型与转轴108之间不发生相对转动。重心板110可以例如是矩形，并且相应地，螺栓孔可以是四个，分别位于矩形重心板110的四个角上。

根据示例性实施例，当通过螺栓将飞机模型(未示出)固定在重心板110上时，应使得转轴108穿过飞机模型的设计重心，即飞机模型的重心不产生关于转轴108的力矩。

根据示例性实施例，飞机模型转动惯量测量装置100可以包括至少一个下悬臂112。下悬臂112的上端与转轴108固定连接。例如，下悬臂112可以通过螺纹来与转轴108固定连接，并优选连接在转轴108的中央。但是本公开并不被限定于此，而是可以涵盖其他将下悬臂112的上端与转轴108固定连接的装置、机构或手段。例如，下悬臂112也可以与转轴108一体化成形。值得注意的是，尽管图1中示出了下悬臂112为直臂的形状，但是本公开并不被限定于此。实际上，取决于飞机模型的安装情形，下悬臂112也可以是曲臂的形状，只要其仍能使得飞机模型在被安装到转轴上之后，其重心在平衡状态下的重力方向穿过附加质量块114的重心即可。

图2进一步示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置的局部200的示意图。图2的局部200可以是图1的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置100的转轴108与上悬臂106、下悬臂112以及重心板110部分的连接关系的放大示意图。

回到图1，下悬臂112的下端与附加质量块114被固定连接以使得附加质量块114的重心与飞机模型的重心所成的直线与下悬臂基本重合。例如，下悬臂112的下端可通过螺纹连接来与附加质量块114固定连接。飞机模型转动惯量测量装置100可通过例如固定安装在悬挂框104上的挂钩102来悬挂于固定梁上，同时通过重心板110来使得飞机模型被固定连接到转轴108上。整个飞机模型转动惯量测量装置100装配后如图1所示。

根据示例性而非限定性实施例，挂钩102、悬挂框104、上悬臂106、转轴108、重心板110和附加质量块114等可优选包括使用铝合金材料。根据示例性而非限定性实施例，下悬臂112等可优选包括使用轻质塑料。

图3示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置300的示意图。根据更一般化的实施例，图3的飞机模型转动惯量测量装置300可包括悬挂部分302、转动部分304以及附加质量部分306。

根据示例性实施例，悬挂部分302用于将转动部分304悬挂起来，以使得转动部分304的转轴被水平地悬挂并使得悬挂部分302能够绕转动部分304的转轴自由转动。例如，根据一示例性实施例，悬挂部分302可以包括但不限于以上结合图1和图2描述的挂钩102、悬挂框104和上悬臂106等。但是，悬挂部分302不限于是以上述组件装配形成，而是也可以使用其他组件，或可以至少部分地或全部一体化成形。悬挂部分302的形状也不限于如结合图1和2所描述的那样，而是可以采用各种能将转轴、飞机模型以及附加质量块悬挂起来的结构、材料、形状等。悬挂部分302优选具有高度调节机制以便于将转动部分304悬挂在所需的高度。

根据示例性实施例，转动部分304用于使飞机模型绕穿过飞机模型的设计重心的转轴转动。例如，转动部分304可包括转轴和固定装置。固定装置用于与飞机模型固定连接以使得转轴穿过飞机模型的设计重心。从而在飞机模型绕转轴转动时，其重心不产生关于转轴的力矩。例如，根据一示例性实施例，转动部分304的转轴可以包括以上结合图1和图2描述的转轴108，而固定装置可以包括以上结合图1和图2描述的重心板110等。

根据示例性实施例，附加质量部分306用于添加重心低于转轴的附加质量，其中飞机模型在被安装到转轴上之后其重心在平衡状态下的重力方向穿过附加质量部分306的重心。由此，可使飞机模型进行复摆运动。例如，根据一示例性实施例，附加质量部分304可以包括以上结合图1和图2描述的下悬臂112和附加质量块114等。

在使用本公开的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置对飞机模型进行转动惯量的测量时，悬挂部分302的各组件可保持相对固定并悬挂在例如固定梁上。例如，在如图1和图2中所描述的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置中，挂钩、悬挂框和上悬臂之间相对固定，并可通过挂钩悬挂在固定梁上。

根据示例性实施例，转动部分304与附加质量部分306相对固定并可绕转轴做自由转动。可将飞机模型与转动部分304固定连接。例如，可将如图1和图2中所描述的重心板固定在飞机模型内部，从而转轴、重心板、下悬臂、质量块以及飞机模型可以相对固定，并绕穿过上悬臂下端孔的转轴做自由转动。

根据各种实施例，将飞机模型与转动部分304固定连接可以包括将飞机模型与转动部分304进行不同方向上的固定连接以测量不同方向上的转动惯量。

图4示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量方案400的示意图。为简洁起见，图4中未示出悬挂部分，而是仅示出了飞机模型、转动部分以及附加质量部分。

图4的(a)中示出了飞机模型被安装成绕Y轴(例如，飞机模型的左右方向)自由转动以测量俯仰转动惯量。如图中所可见，例如，重心板可被安装在飞机模型内部的左右两侧并使得转轴沿Y轴方向穿过飞机模型的设计重心。如此，飞机模型与附加质量块一起绕转轴做复摆运动，从而可以测量飞机模型在Y轴上的(俯仰)转动惯量。

图4的(b)中示出了飞机模型被安装成绕X轴(例如，飞机模型的首尾方向)自由转动以测量滚转转动惯量。如图中所可见，例如，重心板可被安装在飞机模型内部的前后两侧并使得转轴沿X轴方向穿过飞机模型的设计重心。如此，飞机模型与附加质量块一起绕转轴做复摆运动，从而可以测量飞机模型在X轴上的(滚转)转动惯量。

图4的(c)中示出了飞机模型被安装成绕Z轴(例如，飞机模型的顶底方向)自由转动以测量偏航转动惯量。如图中所可见，在此例中，重心板可被安装在转轴的一侧，并固定在飞机模型内部的顶底两侧并使得转轴沿Z轴方向穿过飞机模型的设计重心。如从图中所可见，在此例中，可使用曲柄形状的下悬臂，以便于使得飞机模型在被安装到转轴上之后，其重心在平衡状态下的重力方向穿过附加质量块的重心。

如此，飞机模型与附加质量块一起绕转轴做复摆运动，从而可以测量飞机模型在Z轴上的(偏航)转动惯量。

回到图3，根据示例性实施例，将飞机模型绕转动部分304的转轴倾斜一定角度并释放，使飞机模型连同转动部分304和附加质量部分306(例如，下悬臂和附加质量块)绕转轴做复摆运动。可测量摆动次数和摆动时间，并可根据测得的摆动次数和摆动时间计算出摆动周期/摆动频率。最终可根据附加质量部分306的重心距飞机重心的距离、以及附加质量部分的质量来计算得到飞机模型的转动惯量，具体过程如下。

根据本公开的一方面，飞机模型的转动惯量可以如下来确定。

首先，式(1)给出了附加质量块的固有频率f与质量块绕转轴的转动惯量的关系：

式中：

m为附加质量块的质量；

g为重力加速度；

h为附加质量块的重心距离飞机重心的距离；

J为复摆的转动惯量。

附加质量块的固有频率f可以通过测量摆动次数n和摆动时间t来确定。例如，

f＝n/t (2)

代入式(1)，可以得到：

附加质量块绕转轴的转动惯量如式(4)所示：

J＝J₀+mh² (4)

式中：

J为复摆的转动惯量；

J₀为飞机模型的转动惯量。

综合由式(3)和式(4)可以得到：

根据式(5)，飞机模型的转动惯量J₀可以基于附加质量块的质量m、附加质量块的重心距飞机重心的距离h，摆动次数n以及摆动时间t来确定。

转动惯量的测量精度主要取决于附加质量块的重心距离转轴(即，飞机重心)的距离h的测量精度。通常，h的测量误差在5mm～10mm的范围内。在使用根据本公开的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置进行转动惯量测量时，h的长度范围通常可取为例如1m～1.5m，摆动角度优选在3°～5°的范围中，由此得到的转动惯量测量精度约为1％。取决于所需的测量精度，也可相应地调节h的长度。

图5示出了根据本公开一方面的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量方法500的流程图。

根据示例性实施例，方法500可包括在框510水平地悬挂转轴并使转轴能够自由转动。例如，框510可包括藉由如结合图1和图2描述的挂钩102、悬挂框104和上悬臂106等来将水平转轴悬挂在固定梁上。又如，框510可包括藉由如结合图3描述的悬挂部分302来将转轴水平地悬挂在固定梁上。

在框520，方法500可包括将飞机模型固定到转轴上以使转轴穿过飞机模型的设计重心并使得飞机模型与转轴不发生相对转动。根据各种示例性实施例，飞机模型可以有各种不同的安装方式以便于测量飞机模型在不同方向上的转动惯量。例如，根据示例性实施例，可以使转轴在X、Y和/或Z方向中的一者或多者上穿过飞机模型的重心，以便于分别测量飞机模型在滚转、俯仰和/或偏航方向上的转动惯量。

在框530，方法500可包括将附加质量块固定到转轴上以使附加质量块重心低于转轴且与转轴不发生相对转动，并使飞机模型的重心在平衡状态下的重力方向穿过附加质量块的重心。

在框540，方法500可包括使飞机模型与附加质量块形成复摆一起绕转轴进行摆动。根据优选实施例，复摆的摆动角度可以优选在例如3°～5°的范围中。

在框550，方法500可包括测量复摆运动的摆动次数和相应的摆动时间。

在框560，方法500可包括基于摆动次数、摆动时间、附加质量块的质量、以及附加质量块的重心离转轴的距离来确定飞机模型的转动惯量。例如，根据示例性实施例，确定飞机模型的转动惯量可包括基于摆动次数和摆动时间确定附加质量块的固有频率；基于附加质量块的固有频率和质量及其重心离转轴的距离来确定复摆的转动惯量；以及基于复摆的转动惯量以及附加质量块的质量及其重心离转轴的距离来确定飞机模型的转动惯量等。但是本公开并不被限定于此，而是也可以直接计算飞机模型的转动惯量。

本公开的基于复摆法的飞机模型转动惯量测量装置与飞机模型连接接口以及几何位置关系明确，其结构简单方便、所需安装空间小，安装便捷，操作简单，可实现飞机模型转动惯量的快速测量，且测量精度可达到1％或更佳，足够满足试验要求。

以上所述的仅为本发明的示例性具体实施例。但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本文中所公开的方法包括用于达成所描述的方法的一个或多个步骤或动作。这些方法步骤和/或动作可以彼此互换而不会脱离权利要求的范围。换言之，除非指定了步骤或动作的特定次序，否则具体步骤和/或动作的次序和/或使用可以改动而不会脱离权利要求的范围。

将理解，权利要求并不被限于以上所解说的精确配置和组件。可在以上所描述的方法和装置的布局、操作和细节上做出各种改动、更换和变形而不会脱离权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种飞机模型转动惯量测量装置，包括：

转动部分，其包括转轴和固定装置，所述固定装置用于固定飞机模型以使得所述飞机模型与所述转轴之间不发生相对转动，并使所述转轴穿过所述飞机模型的设计重心；

悬挂部分，其用于悬挂所述转动部分以使得所述转轴处于水平方向并且使得所述悬挂部分能绕所述转轴自由转动；以及

固定到所述转轴并随所述转轴转动的附加质量部分，其用于添加重心低于所述转轴的附加质量，并使得所述飞机模型在被所述固定装置固定之后在平衡状态下所述飞机模型的重心的重力方向穿过所述附加质量部分的重心，其中，

所述固定装置进一步用于以多个不同方向固定所述飞机模型，以测量所述飞机模型在所述多个不同方向上的转动惯量。

2.如权利要求1所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中，所述多个不同方向包括以下一者或多者或其任何组合：俯仰、滚转、以及偏航。

3.如权利要求1所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中，所述固定装置包括用于固定在所述飞机模型内部的至少两块重心板，所述至少两块重心板固定在所述转轴的两侧或一侧，并且其间隔开固定所述飞机模型所需的距离。

4.如权利要求1所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中，所述附加质量部分包括下悬臂和附加质量块，其中，当至少两块重心板固定在所述转轴的两侧时，所述下悬臂包括直臂，而当所述至少两块重心板固定在所述转轴的一侧时，所述下悬臂包括曲臂。

5.如权利要求4所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中，所述下悬臂的上端固定连接在所述转轴的中央，并且所述下悬臂的下端与所述附加质量块固定连接并使所述下悬臂的方向穿过所述附加质量块的重心。

6.如权利要求5所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中所述附加质量块的重心离所述转轴的距离在1米到1.5米的范围中。

7.如权利要求1所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中所述悬挂部分包括：

上悬臂，用于悬挂所述转轴以使得所述上悬臂能绕所述转轴自由转动；以及

悬挂框，用于以一个或多个可调节的高度固定悬挂所述上悬臂。

8.如权利要求7所述的飞机模型转动惯量测量装置，其中所述悬挂部分还包括：

挂钩，用于固定悬挂所述悬挂框。

9.一种飞机模型转动惯量测量方法，包括：

悬挂转轴以使得所述转轴处于水平方向并能够自由转动；

将飞机模型固定到所述转轴上以使得所述飞机模型与所述转轴之间不发生相对转动，并使所述转轴穿过所述飞机模型的设计重心；

将附加质量块固定到所述转轴上以使得所述附加质量块的重心低于所述转轴并随所述转轴转动，并使得在平衡状态下所述飞机模型的重心的重力方向穿过所述附加质量块的重心；

使所述飞机模型和所述附加质量块形成复摆以绕所述转轴进行摆动；

测量摆动次数和相应的摆动时间；以及

基于所述摆动次数、所述摆动时间、所述附加质量块的质量、以及所述附加质量块的重心离所述转轴的距离来确定所述飞机模型的转动惯量，其中

所述方法进一步包括：以多个不同方向固定所述飞机模型，以测量所述飞机模型在所述多个不同方向上的转动惯量。

10.如权利要求9所述的飞机模型转动惯量测量方法，其中，所述多个不同方向包括以下一者或多者或其任何组合：俯仰、滚转、以及偏航。

11.如权利要求9所述的飞机模型转动惯量测量方法，其中所述附加质量块的重心离所述转轴的距离在1米到1.5米的范围中。

12.如权利要求9所述的飞机模型转动惯量测量方法，其中使所述飞机模型和所述附加质量块形成复摆以绕所述转轴进行摆动包括：

使摆动角度在3°到5°的范围中。

13.如权利要求9所述的飞机模型转动惯量测量方法，其中基于所述摆动次数、所述摆动时间、所述附加质量块的质量、以及所述附加质量块的重心离所述转轴的距离来确定所述飞机模型的转动惯量包括：

基于所述摆动次数和所述摆动时间确定所述附加质量块的固有频率；

基于所述附加质量块的固有频率和质量及其重心离所述转轴的距离来确定所述复摆的转动惯量；以及

基于所述复摆的转动惯量以及所述附加质量块的质量及其重心离所述转轴的距离来确定所述飞机模型的转动惯量。

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