CN115508038A - 用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置 - Google Patents

Abstract

为了实现对新型导弹在快速翻转机动过程中模拟，本发明提供一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，包括：俯仰驱动装置、自由滚转试验装置、支撑装置、运动测量装置；俯仰驱动装置包括外侧驱动电机、内侧驱动单元；外侧驱动电机和内侧驱动单元提供输出扭矩，俯仰输出轴和随动轴带动自由滚转试验装置做俯仰运动，由俯仰输出轴把俯仰运动输出扭矩传递到自由滚转试验装置上；滚转支撑单元由侧撑杆支撑自由滚转试验装置，自由滚转试验装置通过轴承绕侧撑杆自由滚转；运动测量装置包括模型俯仰测量单元和模型滚转测量单元，模型滚转测量单元设置在自由滚转试验装置尾部，模型俯仰测量单元通过角度编码器支座安装在随动端面板上。

Description

用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置。

背景技术

新型导弹在快速翻转机动过程中，导弹绕流流场十分复杂。以往在线性范围内量值很小、对总体气动力影响不大的非定常气动力，在飞行姿态和运动参数作快速变化的机动飞行中，量级突然增大，往往左右着整个导弹的气动特性。导弹在快速翻转机动过程中，其飞行攻角可达180°，翻转角速度大于180°/s，现有的高速风洞大振幅试验技术不能完全模拟导弹快速翻转历程中的飞行姿态和运动参数。因此，需要建立超大攻角快速翻转动态试验技术。突破该项关键技术需设计满足超大攻角/高翻转角速度/高刚度/大载荷的运动系统，研制同时具备大刚度、高灵敏度的天平结构形式，满足超大攻角下动态气动力的快速响应和精确测量。

美、俄等航空航天发达国家，由于其先进飞行器发展迅速，型号研制需求强烈，风洞基础良好，大攻角气动力及其风洞试验技术研究起步较早。如美国上世纪八十年代中期开始实施大攻角研究计划，进行了大量的大攻角静态试验、动态试验、数值模拟和流动机理、建模方法与控制技术研究，使大攻角气动力预测技术逐步成熟，形成了具有代表性的大攻角静、动态气动力综合研究体系。促进了具有过失速机动能力战斗机F-22的研制成功。我国从上世纪八十年代开始飞行器动态特性试验研究。国内针对飞行器的大攻角动态气动特性评估分析开展了大量试验研究工作。

当攻角增大，随之产生的气流分离与再附着、涡破碎等非定常、迟滞现象难以通过常规小振幅动导数风洞试验表现出来。为了模拟大攻角飞行特性，必须采用新的风洞试验技术。大振幅动态风洞试验研究成为模拟飞机大攻角运动的必备手段。目前国内高速生产型风洞中建立的大振幅振荡试验技术，试验振幅达到30°，模型最大攻角为75°，振荡频率可以达到3.15Hz，很难满足新型导弹快速翻转运动的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，为了实现对新型导弹在快速翻转机动过程中模拟，本发明提供一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置。

本发明的技术解决方案是：一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，包括：俯仰驱动装置、自由滚转试验装置、支撑装置、运动测量装置；

所述俯仰驱动装置包括外侧驱动电机、内侧驱动单元；

支撑装置包括俯仰支撑单元和滚转支撑单元，俯仰支撑单元包括输出端面板、俯仰输出轴、随动轴和随动端面板，外侧驱动电机和内侧驱动单元共同提供输出扭矩，输出端面板安装在内侧驱动单元上，俯仰输出轴安装在输出端面板中心，随动轴安装在随动端面板中心，俯仰输出轴和随动轴带动自由滚转试验装置做俯仰运动，由俯仰输出轴把俯仰运动输出扭矩传递到自由滚转试验装置上；滚转支撑单元由侧撑杆支撑自由滚转试验装置，自由滚转试验装置通过轴承绕侧撑杆作360°自由滚转；

运动测量装置包括模型俯仰测量单元和模型滚转测量单元，模型滚转测量单元设置在自由滚转试验装置尾部，模型俯仰测量单元通过角度编码器支座安装在随动端面板上。

进一步的，所述自由滚转试验装置包括侧撑杆、前弹身、中弹身、后弹身、同步杆、前支撑轴承、后支撑轴承、滚转定位楔、同步杆螺母；侧撑杆呈十字形，通过左右两侧的支杆分别与俯仰输出轴、随动轴连接，前支撑轴承和后支撑轴承对称安装在侧撑杆前后两端，中弹身和后弹身分别安装在前支撑轴承和后支撑轴承外侧，同步杆穿过侧撑杆内腔通过滚转定位楔和同步杆螺母实现中弹身与后弹身的同步滚转运动；前弹身安装在中弹身前端。

进一步的，所述中弹身内设置隔板，隔板中心设置十字形孔。

进一步的，所述同步杆头部设置十字形结构，杆身的侧面沿径向开有滚转定位楔孔，同步杆头部与中弹身内设置隔板上的十字形孔相配合，同步杆穿过侧撑杆内腔，尾部穿过后弹身内部的隔板并通过同步杆螺母固定。

进一步的，所述滚转定位楔安装在滚转定位楔孔中，并与后弹身侧壁的安装孔配合，实现自由滚转试验装置前半部分和后半部分的安装角度匹配。

进一步的，所述前支撑轴承采用对称分布的角接触轴承。

进一步的，所述后支撑轴承分别采用对称分布的角接触轴承。

进一步的，所述俯仰驱动装置采用双电机驱动，外侧驱动电机选用大减速比，减速比的取值范围为1：15～1：25，提供俯仰攻角实时变换；内侧驱动单元采用小减速比，减速比的取值范围为1：5～1：10，提供俯仰超大攻角运动。

进一步的，所述模型俯仰测量单元采用角度编码器。

进一步的，所述模型滚转测量单元采用无线陀螺仪，无线陀螺仪安装在自由滚转试验装置尾部空腔内，通过在后弹身布置信号传输孔把无线信号实时传输到自由滚转试验装置外侧。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的俯仰运动采用双侧支撑的形式，能够实现攻角0～360°连续运动时支撑干扰最小化和均匀化。

(2)本发明采用了外侧驱动电机和内侧驱动单元同时驱动试验模型运动，可以实现超大攻角俯仰运动时运动速度最大化和驱动扭矩最大化。

(3)本发明的滚转运动机构采用前后分体设计，能满足俯仰0～360°运动的同时保证滚转0～360°自由运动。

(4)本发明采用同步杆、滚转定位楔、同步杆螺母三个装置实现前后弹身的同步，同时提高前后弹身轴线的重合度，减小了非对称引起的偏心运动和摩擦阻尼。

(5)本发明采用无线陀螺仪和角度编码器测量组合方案，实现非接触测量和接触测量的组合，对试验数据同步有大的改进。

附图说明

图1为本发明的实施例的装配示意图；

图2为本发明的实施例的俯仰输出轴示意图；

图3为本发明的实施例的随动轴示意图；

图4为本发明的实施例的侧撑杆示意图；

图5为本发明的实施例的中弹身示意图；

图6为本发明的实施例的同步杆示意图；

图7为本发明的实施例的滚转定位楔示意图；

图8为本发明的实施例的同步杆螺母示意图；

图9为本发明的实施例的模型后弹身示意图；

图10为本发明的实施例的自由滚转试验装置结构图；

图11为根据本发明的实施例的试验时采集到的俯仰滚转双自由度运动原始角度信号图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的实施例。

为了实现对新型导弹在快速翻转机动过程中模拟，在高速风洞中建立最大振幅90°，0～180°攻角快速运动的试验装置很有必要，另外新型导弹在0～180°快速运动运动过程中会造成严重的流动分离，通过建立俯仰滚转双自由度运动试验技术可以捕捉这一现象，为研究新型导弹的滚转动态失稳提供试验基础。

如图1、10所示，用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，包括：俯仰驱动装置、自由滚转试验装置、支撑装置、运动测量装置；本实例中具体包括如下零部件：外侧驱动电机101、内侧驱动单元102、输出端面板103、俯仰输出轴104、自由滚转试验装置105、随动轴106、随动端面板107、角度编码器支座108、模型俯仰测量单元109、前弹身1、中弹身4、同步杆5、前支撑轴承6、侧撑杆7、后支撑轴承8、滚转定位楔9、同步杆螺母10、后弹身11、模型滚转测量单元12。

所述俯仰驱动装置包括外侧驱动电机101、内侧驱动单元102；

支撑装置包括俯仰支撑单元和滚转支撑单元，俯仰支撑单元包括输出端面板103、俯仰输出轴104、随动轴106和随动端面板107，外侧驱动电机101和内侧驱动单元102共同提供输出扭矩，输出端面板103安装在内侧驱动单元102上，俯仰输出轴104安装在输出端面板103中心，随动轴106安装在随动端面板107中心，俯仰输出轴104和随动轴106带动自由滚转试验装置105做俯仰运动，由俯仰输出轴104把俯仰运动输出扭矩传递到自由滚转试验装置105上；滚转支撑单元由侧撑杆7支撑自由滚转试验装置105，自由滚转试验装置105通过轴承绕侧撑杆7作360°自由滚转；

运动测量装置包括模型俯仰测量单元109和模型滚转测量单元12，模型滚转测量单元12设置在自由滚转试验装置105尾部，模型俯仰测量单元109通过角度编码器支座108安装在随动端面板107上。

所述自由滚转试验装置105包括侧撑杆7、前弹身1、中弹身4、后弹身11、同步杆5、前支撑轴承6、后支撑轴承8、滚转定位楔9、同步杆螺母10；侧撑杆7呈十字形，通过左右两侧的支杆分别与俯仰输出轴104、随动轴106连接，前支撑轴承6和后支撑轴承8对称安装在侧撑杆7前后两端，中弹身4和后弹身11分别安装在前支撑轴承6和后支撑轴承8外侧，同步杆5穿过侧撑杆7内腔通过滚转定位楔9和同步杆螺母10实现中弹身4与后弹身11的同步滚转运动；前弹身1安装在中弹身4前端。所述中弹身4内设置隔板，隔板中心设置十字形孔。所述同步杆5头部设置十字形结构，杆身的侧面沿径向开有滚转定位楔孔，同步杆5头部与中弹身4内设置隔板上的十字形孔相配合，同步杆5穿过侧撑杆7内腔，尾部穿过后弹身11内部的隔板并通过同步杆螺母10固定。所述滚转定位楔9安装在滚转定位楔孔中，并与后弹身11侧壁的安装孔配合，实现自由滚转试验装置105前半部分和后半部分的安装角度匹配。

如图2和图3所示，俯仰输出轴104和随动轴106中间支撑自由滚转装置105，俯仰输出轴104一端和俯仰驱动装置连接，随动轴106一端和模型俯仰测量单元109连接，通过俯仰输出轴104把俯仰运动传递到侧撑杆7上，进而带动模型做俯仰运动。随动轴106一端和侧撑杆7连接，另一端和模型俯仰测量单元109连接，通过角度编码器接触式测量俯仰角位移。

如图4所示，俯仰支撑单元采用三点支撑形式，由内侧驱动单元102外表面、输出端面板103、随动端面板107三个装置实现整套机构的俯仰方向支撑，滚转支撑单元采用两点对称支撑形式，通过在侧撑杆7前后对称布置角接触轴承(即前支撑轴承6、后支撑轴承8)实现直接对模型滚转方向的支撑。

如图4、图5和图9所示，侧撑杆7前端和后端对称布置一对角接触轴承，中弹身4和后弹身11分别安装在前支撑轴承6、后支撑轴承8外圈，试验模型可绕侧撑杆7做滚转方向0～360°自由运动。

所述俯仰驱动装置采用双电机驱动，外侧驱动电机选用大减速比，减速比的取值范围为1：15～1：25，提供俯仰攻角实时变换；内侧驱动单元采用小减速比，减速比的取值范围为1：5～1：10，提供俯仰超大攻角运动。

如图6、图7和图8所示，通过同步杆5保证整个模型前半部分和后半部分的同步滚转运动，采用滚转定位楔9实现模型前半部分和后半部分的安装角度匹配，采用同步杆螺母10紧固方式减小模型安装后的俯仰/偏航晃动现象。

如图9所示，滚转运动测量单元12采用无线陀螺仪形式测量，无线陀螺仪安装在模型(即自由滚转装置105)尾部空腔内，通过在模型后弹身布置信号传输孔把无线信号实时传输到模型外侧。同时模型俯仰测量单元109采用在随动端安装角度编码器形式测量，通过角度连接套筒把角度编码器测量轴与输出端支杆连接。

整套试验装置安装在地面调试架上，通过外侧驱动电机101和内侧驱动单元102同时同步控制驱动试验模型做俯仰方向运动，同时试验模型相对侧撑杆7轴线做自由滚转运动，运动过程中分别通过角度编码器和无线陀螺仪测量运动过程中的俯仰角和滚转角。如图11所示，为该套试验装置风洞试验时所得到的俯仰滚转运动原始曲线。

实施例

在使用本发明的用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置进行风洞试验时，内侧驱动单元102、输出端面板103和随动端面板107安装在风洞试验段内，外侧驱动电机101和内侧驱动单元102共同提供输出扭矩带动俯仰输出轴104做指定的俯仰运动，俯仰输出轴104和随动轴106共同支撑自由滚转部分105，在随动轴106另一端布置角度编码器支座108和模型滚转测量单元109对俯仰运动角度实时测量。侧撑杆7前后各放置一对角接触轴承对中弹身4和后弹身11进行支撑，通过同步杆5、滚转定位楔9和同步杆螺母10把模型连成一个整体，同步杆5穿过侧撑杆7内腔，进而实现模型绕侧撑杆7进行0～360°自由滚转运动，通过在模型尾部布置无线陀螺仪12对模型滚转角进行实时测量。

俯仰运动机构总长约3200mm，最大直径710mm，滚转运动机构总长720mm，最大直径40mm。风洞试验时整套机构安装于试验段内部，其中俯仰输出轴、自由滚转模型部分、随动轴内置与风洞流场中，通过外侧驱动电机和内侧驱动单元同时同步运动可以实现各种形式的俯仰运动，俯仰攻角可以实现0～180°运动，超大攻角运动时可以实现最大4Hz的运动频率，模型滚转方向为0～360°运动，通过测量元件可以实时采集模型的角运动。如图11所示，为风洞试验时采集到的俯仰滚转双自由度运动时间历程。

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 (10)

1.一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于，包括：俯仰驱动装置、自由滚转试验装置(105)、支撑装置、运动测量装置；

所述俯仰驱动装置包括外侧驱动电机(101)、内侧驱动单元(102)；

支撑装置包括俯仰支撑单元和滚转支撑单元，俯仰支撑单元包括输出端面板(103)、俯仰输出轴(104)、随动轴(106)和随动端面板(107)，外侧驱动电机(101)和内侧驱动单元(102)共同提供输出扭矩，输出端面板(103)安装在内侧驱动单元(102)上，俯仰输出轴(104)安装在输出端面板(103)中心，随动轴(106)安装在随动端面板(107)中心，俯仰输出轴(104)和随动轴(106)带动自由滚转试验装置(105)做俯仰运动，由俯仰输出轴(104)把俯仰运动输出扭矩传递到自由滚转试验装置(105)上；滚转支撑单元由侧撑杆(7)支撑自由滚转试验装置(105)，自由滚转试验装置(105)通过轴承绕侧撑杆(7)作360°自由滚转；

运动测量装置包括模型俯仰测量单元(109)和模型滚转测量单元(12)，模型滚转测量单元(12)设置在自由滚转试验装置(105)尾部，模型俯仰测量单元(109)通过角度编码器支座(108)安装在随动端面板(107)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述自由滚转试验装置(105)包括侧撑杆(7)、前弹身(1)、中弹身(4)、后弹身(11)、同步杆(5)、前支撑轴承(6)、后支撑轴承(8)、滚转定位楔(9)、同步杆螺母(10)；侧撑杆(7)呈十字形，通过左右两侧的支杆分别与俯仰输出轴(104)、随动轴(106)连接，前支撑轴承(6)和后支撑轴承(8)对称安装在侧撑杆(7)前后两端，中弹身(4)和后弹身(11)分别安装在前支撑轴承(6)和后支撑轴承(8)外侧，同步杆(5)穿过侧撑杆(7)内腔通过滚转定位楔(9)和同步杆螺母(10)实现中弹身(4)与后弹身(11)的同步滚转运动；前弹身(1)安装在中弹身(4)前端。

3.根据权利要求2所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述中弹身(4)内设置隔板，隔板中心设置十字形孔。

4.根据权利要求3所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述同步杆(5)头部设置十字形结构，杆身的侧面沿径向开有滚转定位楔孔，同步杆(5)头部与中弹身(4)内设置隔板上的十字形孔相配合，同步杆(5)穿过侧撑杆(7)内腔，尾部穿过后弹身(11)内部的隔板并通过同步杆螺母(10)固定。

5.根据权利要求4所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述滚转定位楔(9)安装在滚转定位楔孔中，并与后弹身(11)侧壁的安装孔配合，实现自由滚转试验装置(105)前半部分和后半部分的安装角度匹配。

6.根据权利要求2所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述前支撑轴承(6)采用对称分布的角接触轴承。

7.根据权利要求2所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述后支撑轴承(8)分别采用对称分布的角接触轴承。

8.根据权利要求1所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述俯仰驱动装置采用双电机驱动，外侧驱动电机选用大减速比，减速比的取值范围为1：15～1：25，提供俯仰攻角实时变换；内侧驱动单元采用小减速比，减速比的取值范围为1：5～1：10，提供俯仰超大攻角运动。

9.根据权利要求1所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述模型俯仰测量单元(109)采用角度编码器。

10.根据权利要求2所述的一种用于高速风洞超大攻角俯仰滚转双自由度运动的试验装置，其特征在于：所述模型滚转测量单元(12)采用无线陀螺仪，无线陀螺仪安装在自由滚转试验装置(105)尾部空腔内，通过在后弹身(11)布置信号传输孔把无线信号实时传输到自由滚转试验装置(105)外侧。

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