CN117589417B - 风洞大载荷自由摇滚试验装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞大载荷自由摇滚试验装置及应用方法，涉及风洞试验领域，包括内部中空的支杆，通过前端轴承组、后端轴承组安装在支杆内部的芯轴，安装在芯轴前端的铜套，设置在风洞内的支架；所述支杆通过外侧的锥面安装在所述支架上，所述锥面前、后端设置有螺纹，以及设置有对所述支杆进行紧固、顶出的拉紧环、顶出环，还包括：与支杆后端连接的离合器支座，其内设置有用于固定电磁离合器定子的法兰面Ⅰ；与离合器支座后端连接的编码器支座，其内设置有安装光电编码器的法兰面Ⅱ。本发明提供一种风洞大载荷自由摇滚试验装置及应用方法，具有结构形式紧凑，外形干扰小，承载能力强的效果，可用以开展飞行器的风洞大载荷自由摇滚风洞试验。

Description

风洞大载荷自由摇滚试验装置及应用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域。更具体地说，本发明涉及一种风洞大载荷自由摇滚试验装置及应用方法。

背景技术

飞行器在进行俯仰机动运动过程中，由于空气绕流的非对称流动分离、非对称涡和涡破裂等气动特性而产生俯仰滚转耦合现象，从而引起非指令的摇滚振动，影响飞行控制的稳定性，严重时可能导致滚转发散，出现飞行事故。然而目前的风洞试验通常采用固定支撑的方式，只能获得飞行器稳态气动特性和静稳定性，无法反应飞行器实际飞行过程中遇到的动态滚转稳定性问题，为飞行器动稳定性评估和飞行安全评估带来困难。

因此，需要发展一种风洞大载荷自由摇滚试验装置，用以开展飞行器的风洞自由摇滚风洞试验，评估飞行器高速飞行时在不同迎角下的动态摇滚特性，从而指导飞行器的外形优化设计和飞行控制鲁棒性设计。

现有技术中，也有够专用于开展飞行器的高速风洞自由摇滚试验的装置，如申请号为202011100334 .8 的一种高速风洞自由摇滚试验装置，该试验装置包括同中心轴的支杆前段和支杆后段，支杆前段的中心轴上设置有芯轴；芯轴的前端伸出支杆前段，前端端头上安装有用于固定连接试验模型的铜套；支杆后段的后端设置有与拐臂支撑连接的锥段；芯轴的前段、铜套的后方安装有球轴承；芯轴的后段依次固定有角接触球轴承和电磁离合器；支杆后段的中心轴上固定有角度编码器；支杆前段和支杆后段固定连接，支杆前段的电磁离合器和支杆后段的角度编码器通过联轴节连接；芯轴通过球轴承和角接触球轴承实现在支杆前段内自由滚转。该试验装置能够评估飞行器高速飞行时在不同迎角下的动态摇滚特性，但其存在的问题在于，该装置将支杆分为前后两段，在支杆前段和支杆后段的连接部分设置了安装电磁离合器和角度编码器的腔体，通过支杆后段的后端设置的锥段安装在风洞的拐臂支撑上，使得在进行自由摇滚风洞试验时，所述腔体位置，即支杆前段和支杆后段的连接位置承受了最大载荷，此分体的腔体结构承载能力有限，不能进行大载荷试验；此外，此腔体因为要在其内部安装电磁离合器和角度编码器，其外形尺寸较大，且其位于风洞的拐臂支撑之前，引起的气动干扰也较大。

发明内容

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种风洞大载荷自由摇滚试验装置，包括内部中空的支杆，通过前端轴承组、后端轴承组固定支杆内部的芯轴，安装在芯轴前端的铜套，设置在风洞迎角机构上，与支杆外侧相配合的支架，还包括：

与支杆后端连接的离合器支座，其内设置有用于固定电磁离合器定子的法兰面Ⅰ；

与离合器支座后端连接的编码器支座，其内设置有安装光电编码器的法兰面Ⅱ；

其中，所述支架内部、支杆外侧相配合的位置上分别设置有锥度为1:10的锥面结构，所述支杆在锥面结构的前、后端设置有螺纹，以及通过螺纹对支杆进行紧固、顶出的拉紧环、顶出环，所述支杆从前端到后端为整体结构，且支杆外侧与支架配合的锥面结构以及锥面结构前、后端的螺纹均位于支杆后端靠前的位置；

所述芯轴后端与电磁离合器转子、光电编码器连接，且所述离合器支座和编码器支座安装位置位于所述支架的后面，所述电磁离合器转子、电磁离合器定子之间具有预定间隙，以使电磁离合器转子与定子在通电时紧密磁吸连接，断电时正常分离。

优选的是，在所述支杆外侧锥面结构、支架内部相配合的锥面上，分别设置有在空间上相对应的键槽，以通过安装在键槽中的防滚键对支杆位置进行周向固定。

优选的是，所述拉紧环、离合器支座的前端设置有减小气动干扰的外锥面，所述支架前侧设置有减小气动干扰的尖劈面。

优选的是，所述芯轴前端、铜套相配合的位置上分别设置有锥度为1:10的锥面结构；

所述支杆前端设置有限位槽或止挡式限位块，所述铜套的大端面基于是否对滚转角度范围进行限定来选配是否设置限位凸台。

优选的是，光电编码器的前端通过弹性联轴节与芯轴后端连接，所述离合器支座、编码器支座的对应位置上设置有与电磁离合器、弹性联轴节所在位置相配合的调节口，所述调节口通过其上安装的盖板Ⅰ进行封装。

优选的是，所述编码器支座后端设有便于安装或拆卸光电编码器的开口，所述开口通过其上安装的盖板Ⅱ进行封装。

一种风洞大载荷自由摇滚试验装置的应用方法，包括：

S1、在试验装置安装后，通过电磁离合器的上电，使得电磁离合器转子和定子基于磁性的吸合作用力连接，将芯轴锁止固定从而锁定试验模型滚转角，风洞启动；

S2、在风洞流场稳定后，电磁离合器下电，以使电磁离合器转子和定子处于分离状态，通过对芯轴的解锁进而释放试验模型滚转角，通过光电编码器测量试验模型在气动力作用下的滚转角随时间的变化，通过风洞迎角机构变化迎角，以获得试验模型在不同迎角下的滚转稳定性。

优选的是，在试验装置安装时，通过弹性联轴节调节光电编码器与芯轴的同轴度。

本发明至少包括以下有益效果：本发明提供一种风洞大载荷自由摇滚试验装置，具有结构形式紧凑，外形干扰小（与常规测力风洞试验的尾支撑一致），安装便捷，承载能力强的效果，可用以开展飞行器的风洞大载荷自由摇滚风洞试验，进而在更宽广的角度范围和速度范围评估飞行器飞行时的动态摇滚特性，从而更好的指导飞行器的外形优化设计和飞行控制鲁棒性设计。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明风洞大载荷自由摇滚试验装置的结构示意图；

图2为本发明承载部件安装结构示意图；

图3为本发明风洞大载荷自由摇滚试验装置安装在风洞后的结构示意图；

图4为图1的局部放大结构示意图；

其中，1-支架、2-支杆、3-防滚键、4-芯轴、5-铜套、6-限位块、7-前端轴承组、8-后端轴承组、9-拉紧环、10-顶出环、11-离合器支座、12-电磁离合器、13-编码器支座、14-光电编码器、15-盖板Ⅰ、16-盖板Ⅱ、17-弹性联轴节、18-风洞、19-模型、20-风洞迎角机构、21-螺纹Ⅰ，22-螺纹Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“Ⅰ”、“Ⅱ”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出了一种适用于开展风洞滚转稳定性评估验证风洞试验的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其结构如图1-图4所示，包括：支架1、支杆2、防滚键3、芯轴4、铜套5、限位块6、前端轴承组7、后端轴承组8、拉紧环9、顶出环10、离合器支座11、电磁离合器12、编码器支座13、光电编码器14、盖板Ⅰ15、盖板Ⅱ16、弹性联轴节17；辅助说明的包括：风洞18、试验模型19、风洞迎角机构20，下面就部件的结构以及连接关系进行说明：

支架为风洞大载荷自由摇滚试验装置的安装连接部件，可以安装在风洞的迎角弯刀机构上，或根据风洞迎角机构实际机械安装接口设计支架的接口形式以便于安装于风洞迎角机构上。支架与支杆的连接部分为1:10内锥面。

支杆整体为中空台阶圆柱结构，是风洞大载荷自由摇滚试验装置的主承载部件，通过锥度1:10的外锥面结构安装在支架上，在外锥面结构前段设计有拉紧用的螺纹Ⅰ21，利用拉紧环通过螺纹Ⅰ将支杆与支架紧固连接，同时利用防滚键（在实际的实施时，支杆与支架相配合的锥面上设置有相配合的键槽，将防滚键安装在键槽中完成锁定）进一步防止支杆滚动，拉紧环前端采用锥面外形整流以减小气动干扰；在外锥面结构后端设计有顶出用的螺纹Ⅱ22，顶出环通过顶出螺纹Ⅱ安装在支杆后端，支杆拉紧时顶出环不与支架接触，当需要将支杆从支架拆除时，退出拉紧环，利用顶出环通过螺纹Ⅱ将支杆与支架分离（因为是锥面配合的结构设计，所以顶出环只需向前顶送一点，即可实现支杆与支架分离）。支杆内部中空并在支杆前端和后端分别设置有前端轴承组和后端轴承组，用于支撑芯轴；需要说明的是，本发明特点之一在于：本发明的支杆从前端到后端为整体结构，支杆外侧与支架配合的锥面结构以及锥面结构前、后端的螺纹均位于支杆后端靠前的位置，即在不安装支杆后端连接的其他部件时，支杆包括内部芯轴可以单独安装在支架上。

芯轴整体为台阶圆柱结构，通过前端轴承组和后端轴承组安装在支杆内部，且可以灵活转动，芯轴前端为锥度1:10锥面，用于安装铜套，芯轴后端为直径较细的圆柱型，用于安装电磁离合器转子以及光电编码器转轴。

铜套用于安装风洞试验模型，铜套内锥面锥度为1:10，安装在芯轴前端，铜套厚度和铜套外锥面锥度可根据试验模型内锥进行调整，铜套大端面设计限位凸台与支杆前端设置的限位槽或止挡式限位块配合，可用于限制芯轴滚转角范围，进而限制风洞试验模型的滚转角范围，也可以取消铜套大端面的限位凸台，此时试验模型滚转角范围不受限制，具体情况可以根据试验需要进行选择。

离合器支座安装在支杆后端，前段外形为锥面用于整流以减小干扰，后端为圆柱外形用于安装编码器支座，且圆柱壳体上开有调节口，与编码器支座上的调节口配合使用；离合器支座内部设计安装法兰面Ⅰ，电磁离合器定子通过法兰面安装在离合器支座上，电磁离合器转子与定子之间留有合适间隙，保证通电时电磁离合器转子与定子紧密磁吸连接，断电时电磁离合器转子与定子正常分离。

编码器支座为圆柱外形，安装在离合器支座上，编码器支座内部设计安装法兰面，光电编码器通过法兰面Ⅱ安装在编码器支座上，光电编码器前端通过弹性联轴节与芯轴后端连接，弹性联轴节还可以调节光电编码器与芯轴的同轴度；编码器支座圆柱壳体上开有调节口，与离合器支座上的调节口配合，其上安装盖板，通过调节口调节电磁离合器转子，以及紧固或松开弹性联轴节；编码器支座后端开口，用于方便安装或拆卸光电编码器，其上安装盖板Ⅱ。需要说明的是，本发明特点之二在于：所述的离合器支座和所述的编码器支座安装位置在所述支架的后面（但不与支架连接，即支杆不需要安装它们就可以独立安装在支架上），不承受风洞试验时试验模型气动力引起的载荷，且距离试验模型较远，引起的气动干扰非常小；

风洞大载荷自由摇滚试验装置的零部件组装步骤包括：

1．通过支杆内设置的前端轴承组和后端轴承组对芯轴进行安装支撑，在支杆前端安装限位块（限位块同时起到前端轴承组挡圈的作用），在芯轴前端安装铜套；

2．对于支杆，取下拉紧环，装上顶出环，在支杆的外锥面结构上安装防滚键，将支杆安装在支架上（注意通过螺纹调节顶出环位置，使其和支架之间保留足够的间隙），安装拉紧环并使用扳手等工具将其与支架拉紧，使得支杆和支架通过锥面牢固连接。

3．将电磁离合器定子通过法兰面安装在离合器支座上，将离合器支座安装在支杆后端，将电磁离合器转子安装在芯轴上；

4．将光电编码器通过法兰面安装在编码器支座上，将弹性联轴节安装在光电编码器转轴上，将编码器支座安装在离合器支座后端，并将光电编码器转轴上的弹性联轴节与芯轴后端连接；

5．调节好离合器转子和定子之间的距离，分别完成调节口、开口上的盖板Ⅰ和盖板Ⅱ的安装。

本方案相对于现有技术而言，支杆从前端到后端为整体结构，支杆外侧与支架配合的锥面结构以及锥面结构前、后端的螺纹均位于支杆后端靠前的位置，即在不安装支杆后端连接的其他部件时，支杆包括内部芯轴可以单独安装在支架上，支杆以整体结构承受载荷；离合器支座和编码器支座安装在支架的后面，不承受风洞试验时试验模型气动力引起的载荷，且距离试验模型较远，引起的气动干扰非常小，具有结构形式紧凑，外形干扰小（与常规测力风洞试验的尾支撑一致），安装便捷，承载能力强的效果，能适应风洞大载荷自由摇滚试验。

在完成风洞大载荷自由摇滚试验装置各部件的安装后，其应用方式包括：

第一步，电磁离合器通电，电磁离合器转子和定子磁吸连接，锁止芯轴从而锁定试验模型滚转角，风洞启动。

第二步，风洞流场稳定后，电磁离合器断电，电磁离合器转子和定子分离，释放芯轴从而释放试验模型滚转角，通过光电编码器测量试验模型在气动力作用下的滚转角随时间的变化，通过风洞迎角机构变化迎角，即可获得试验模型不同迎角下的滚转稳定性。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种风洞大载荷自由摇滚试验装置，包括内部中空的支杆，通过前端轴承组、后端轴承组固定支杆内部的芯轴，安装在芯轴前端的铜套，设置在风洞迎角机构上，与支杆外侧相配合的支架，其特征在于，还包括：

与支杆后端连接的离合器支座，其内设置有用于固定电磁离合器定子的法兰面Ⅰ；

与离合器支座后端连接的编码器支座，其内设置有安装光电编码器的法兰面Ⅱ；

其中，所述支架内部、支杆外侧相配合的位置上分别设置有锥度为1:10的锥面结构，所述支杆在锥面结构的前、后端设置有螺纹，以及通过螺纹对支杆进行紧固、顶出的拉紧环、顶出环，所述支杆从前端到后端为整体结构，且支杆外侧与支架配合的锥面结构以及锥面结构前、后端的螺纹均位于支杆后端靠前的位置；

所述芯轴后端与电磁离合器转子、光电编码器连接，且所述离合器支座和编码器支座安装位置位于所述支架的后面，所述电磁离合器转子、电磁离合器定子之间具有预定间隙，以使电磁离合器转子与定子在通电时紧密磁吸连接，断电时正常分离。

2.如权利要求1所述的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其特征在于，在所述支杆外侧锥面结构、支架内部相配合的锥面上，分别设置有在空间上相对应的键槽，以通过安装在键槽中的防滚键对支杆位置进行周向固定。

3.如权利要求1所述的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其特征在于，所述拉紧环、离合器支座的前端设置有减小气动干扰的外锥面，所述支架前侧设置有减小气动干扰的尖劈面。

4.如权利要求1所述的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其特征在于，所述芯轴前端、铜套相配合的位置上分别设置有锥度为1:10的锥面结构；

所述支杆前端设置有限位槽或止挡式限位块，所述铜套的大端面基于是否对滚转角度范围进行限定来选配是否设置限位凸台。

5.如权利要求1所述的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其特征在于，光电编码器的前端通过弹性联轴节与芯轴后端连接，所述离合器支座、编码器支座的对应位置上设置有与电磁离合器、弹性联轴节所在位置相配合的调节口，所述调节口通过其上安装的盖板Ⅰ进行封装。

6.如权利要求1所述的风洞大载荷自由摇滚试验装置，其特征在于，所述编码器支座后端设有便于安装或拆卸光电编码器的开口，所述开口通过其上安装的盖板Ⅱ进行封装。

7.一种如权利要求1-6任一项所述风洞大载荷自由摇滚试验装置的应用方法，其特征在于，包括：

S1、在试验装置安装后，通过电磁离合器的上电，使得电磁离合器转子和定子基于磁性的吸合作用力连接，将芯轴锁止固定从而锁定试验模型滚转角，风洞启动；

S2、在风洞流场稳定后，电磁离合器下电，以使电磁离合器转子和定子处于分离状态，通过对芯轴的解锁进而释放试验模型滚转角，通过光电编码器测量试验模型在气动力作用下的滚转角随时间的变化，通过风洞迎角机构变化迎角，以获得试验模型在不同迎角下的滚转稳定性。

8.如权利要求7所述的应用方法，其特征在于，在试验装置安装时，通过弹性联轴节调节光电编码器与芯轴的同轴度。