Φ5m立式風洞旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置研制

馬 軍，姜裕標，祝明紅，梁 鑒，熊建軍，蔣 敏

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

在飛機研制過程中，需要進行大量的飛機尾旋特性研究，其中，很重要的研究手段就是飛機的旋轉(zhuǎn)天平試驗。立式風洞旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置是為開展飛機尾旋特性研究而研制的重要基礎設備，主要用于測定模型繞風軸以不同速率作等速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的氣動特性，為飛機尾旋特性的分析和預測提供必要的氣動數(shù)據(jù)［1］。該裝置主要包括機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)3大部分，涉及機械、力學、電氣、測量和控制等多個學科。該裝置采用雙立柱弧形軌結(jié)構(gòu)形式，采用網(wǎng)絡一體化試驗管理、控制模式，不但能夠開展旋轉(zhuǎn)天平試驗，而且還具備動導數(shù)試驗、大迎角試驗、旋轉(zhuǎn)／振蕩耦合試驗等功能［2］。

1 機械系統(tǒng)組成

Φ5m立式風洞旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置機械系統(tǒng)主要由雙立柱、弧形軌、橫梁、支桿（尾撐、背撐、腹撐）、滑車、支架、驅(qū)動電機、驅(qū)動軸、變速箱、引電器、中心體、平衡臂、模型、靜止空氣阻尼扣除機構(gòu)和支撐平臺組成，如圖1所示。該裝置采用雙立柱形式牢固連接于地面，通過地面導軌可方便地將該試驗裝置移入或移出試驗段。弧形軌為1／2圓，半徑為2m，最大旋轉(zhuǎn)速率100r／min，轉(zhuǎn)速控制精度0.5r／min，模型通過支桿、滑車安裝在弧形軌的一端；弧形軌的另一端通過滑車、平衡臂安裝配重。模型支撐可以采用尾撐、背撐和腹撐等方式，能夠?qū)崿F(xiàn)模型姿態(tài)角的自動控制和無級定位，試驗時，通過滑車在弧形軌上移動來改變模型支桿的俯仰角和支桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)來改變模型支桿的滾轉(zhuǎn)角，兩者的組合即可獲得所要求的模型迎角和側(cè)滑角，迎角變化范圍±180°，側(cè)滑角變化范圍±90°，姿態(tài)角控制精度0.1°。試驗裝置可以通過調(diào)節(jié)支桿絲杠，模擬尾旋半徑，最大模擬半徑0.5m。

圖1 Φ5m立式風洞旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置示意圖及照片F(xiàn)ig.1 Sketch and photo of rotary balance equipment inΦ5mvertical wind tunnel

2 控制系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置控制系統(tǒng)的控制對象包括：裝置沿試驗大廳地面導軌運動控制，弧形軌的旋轉(zhuǎn)速度控制，滑車1和滑車2沿弧形軌的精確定位控制，模型在尾撐機構(gòu)上的滾轉(zhuǎn)角和滾轉(zhuǎn)振蕩控制，模型在背撐支桿機構(gòu)上的俯仰振蕩控制，控制系統(tǒng)安全防護與連鎖等，旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

旋轉(zhuǎn)天平控制軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能如下：

（a）控制系統(tǒng)運行參數(shù)設置：包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、弧形軌旋轉(zhuǎn)速度和振蕩頻率等；

（b）試驗進程控制：包括設備自檢、試驗運行和試驗結(jié)束等試驗進程的控制；

（c）旋轉(zhuǎn)、定位、角度控制執(zhí)行機構(gòu)的實時控制與狀態(tài)監(jiān)測；

（e）安全保護：包括監(jiān)控軟件運行條件和前端控制器聯(lián)鎖保護兩個層次。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the control system

按照系統(tǒng)單元的組成分類，控制系統(tǒng)設計主要包括以下內(nèi)容：

（a）各控制機構(gòu)驅(qū)動與執(zhí)行系統(tǒng)：包括運動控制器、驅(qū)動電機、減速機、編碼器等；

（b）上位機控制系統(tǒng)：包括PLC控制系統(tǒng)、操作臺、監(jiān)控計算機、控制軟件等；

（c）滑環(huán)引電器：將旋轉(zhuǎn)弧形軌前端機構(gòu)的驅(qū)動電機電源和控制信號、天平電源和信號等傳輸至控制間；

（d）控制網(wǎng)絡：包括監(jiān)控計算機與PLC間、PLC與操作臺總線表和驅(qū)動器之間兩級網(wǎng)絡，將驅(qū)動器、PLC、監(jiān)控計算機和現(xiàn)場各設備組網(wǎng)。

3 測量系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置測量系統(tǒng)由運行管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)采用分布式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在運行管理軟件的統(tǒng)一指揮下，協(xié)調(diào)執(zhí)行各子系統(tǒng)軟件的相應功能，各子系統(tǒng)通過DataSocket通訊機制實現(xiàn)指令、信息、參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)的傳遞，綜合完成試驗任務。測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

運行管理軟件是測量系統(tǒng)的控制中心，負責旋轉(zhuǎn)天平試驗的調(diào)度管理。軟件功能模塊主要包括運行管理、轉(zhuǎn)速序列管理、網(wǎng)絡管理和運轉(zhuǎn)計劃管理。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用NI公司的PXI總線儀器和工控機組成。天平信號通過滑環(huán)引電器到PXI信號調(diào)理模塊，經(jīng)過放大后送入數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集軟件功能模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、采集參數(shù)設置、信號監(jiān)視和網(wǎng)絡通訊模塊，既可以聯(lián)網(wǎng)操作，也可以脫離局域網(wǎng)獨立完成采集功能。

圖3 測量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the measurement system

數(shù)據(jù)處子理系統(tǒng)主要任務是承擔旋轉(zhuǎn)天平試驗的數(shù)據(jù)計算處理和試驗數(shù)據(jù)的組織與管理。主要包括計算步驟選擇模塊、實時數(shù)據(jù)處理模塊和網(wǎng)絡管理模塊，具有脫機和聯(lián)網(wǎng)運行功能。

4 引導性試驗

4.1 試驗設備與模型

Φ5m立式風洞為單回流、圓形開口試驗段風洞，試驗段直徑5m、射流長度7.5m、空風洞最大風速50m／s。測力天平為TG0404A桿式六分量應變天平，其載荷見表1。試驗模型為J－7E（1∶10）旋轉(zhuǎn)天平模型，該模型采用玻璃鋼殼體結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為13.56kg，其主要參數(shù)見表2。

表1 J－7E（1：10）旋轉(zhuǎn)天平模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of J－7E（1：10）model

表2 專用天平TG0404A設計載荷Table 2 The specified load of balance TG0404A

4.2 試驗方法

模型在繞風軸系旋轉(zhuǎn)過程中，作用在天平上的力有模型的重力、慣性力和氣動力3部分。因此，必須從天平測量結(jié)果中扣除模型的重力、慣性力這些附加載荷。旋轉(zhuǎn)引起的慣性力是在無風狀態(tài)下利用正、反轉(zhuǎn)測得數(shù)據(jù)相加取平均來獲得，因重力始終指向來流方向，在試驗過程中保持不變，因此，在數(shù)據(jù)處理時將自動消除重力的影響。每一個試驗點的采樣頻率為500Hz、周期為5圈，取平均值作為該試驗點的載荷數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)參數(shù)λ的變化范圍為－0.21～0.21，Δλ＝0.03。

4.3 結(jié)果分析

表3給出了模型基本構(gòu)型狀態(tài)下，α＝5°、V＝15ｍ／ｓ時的重復性精度，由表3結(jié)果可見，結(jié)果精度達到GJB要求。

表3 J－7E基本構(gòu)型狀態(tài)旋轉(zhuǎn)天平試驗重復性精度（α＝5°，β＝0°，V＝15m／s）Table 3 Accuracy of rotary balance repetition test with J－7Emodel（α＝5°，β＝0°，V＝15m／s）

在0°≤α≤90°范圍內(nèi)，J－7E（1∶10）模型的旋轉(zhuǎn)天平試驗結(jié)果與在4m×3m風洞中相應狀態(tài)下獲得的旋轉(zhuǎn)天平試驗結(jié)果比較吻合。圖4給出了α＝30°、β＝0°時，兩座風洞獲得的結(jié)果的對比曲線，由圖可見，該試驗結(jié)果是可靠的。從圖4的比較來看，在較大的旋轉(zhuǎn)參數(shù)狀態(tài)下，兩座風洞獲得的結(jié)果存在一定的差異，這可能與模型狀態(tài)、試驗風速、洞壁干擾以及支架干擾等因素有一定的關系，但從縱向氣動分量關于λ＝0的對稱性以及橫向分量的線性度來看，該試驗結(jié)果要略好于在4m×3m風洞中所獲得的試驗結(jié)果。

圖5給出了β＝0°、V＝15m／s時，各迎角狀態(tài)下各氣動分量隨旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律。由圖可見，縱向氣動分量關于λ＝0的對稱性良好、橫向氣動分量隨迎角和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律合理。該規(guī)律與文獻［3］一致。這也說明研制的旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置具備開展飛機模型旋轉(zhuǎn)天平試驗研究的能力。

5 結(jié) 論

（1）通過對引導性試驗結(jié)果的對比分析表明，Φ5m立式風洞旋轉(zhuǎn)天平裝置滿足飛機模型旋轉(zhuǎn)天平試驗要求，試驗結(jié)果精度達到國軍標指標要求，與4m×3m風洞所獲得的試驗結(jié)果具有較好的一致性，表明利用該裝置開展飛機模型旋轉(zhuǎn)天平試驗是可行的；

（2）在β＝0°時，各迎角狀態(tài)下獲得縱向氣動分量關于λ＝0的對稱性良好、橫向氣動分量隨迎角和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的變化規(guī)律合理，部分狀態(tài)略優(yōu)于4m×3m風洞所獲得的試驗結(jié)果。這表明，在Φ5m立式風洞中進行飛機模型旋轉(zhuǎn)天平試驗更具一定的優(yōu)勢。

［1］ 沈禮敏.飛行器旋轉(zhuǎn)模型風洞試驗系統(tǒng)［R］.中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所，1993.

［2］ 姜裕標.Ф5m立式風洞旋轉(zhuǎn)天平試驗裝置研制總結(jié)［R］.中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所，2010.

［3］ 祝明紅，沈禮敏.J－7E型飛機1：10模型第一期旋轉(zhuǎn)天平測力報告［R］.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，1991.

［4］ 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 1061－91高速風洞和低速風洞測力試驗精度指標［S］.北京：國防科工委軍標出版發(fā)行部，1992.

［5］ 國防科學技術工業(yè)委員會.GJB 3480－98飛行器模型旋轉(zhuǎn)、振蕩運動低速風洞試驗方法［S］.北京：中國人民解放軍總裝備部，1998.