陳建中,易國(guó)慶,彭 超,譚顯慧
(1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191;2.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川綿陽621000)
格柵舵是由外部框架和內(nèi)部眾多的薄格壁布置成框架形式或蜂窩形式的空間多升力面系統(tǒng),見圖1。作為一種新型的氣動(dòng)控制舵面,在中國(guó)自主研制的飛行器中的應(yīng)用尚屬空白,對(duì)其氣動(dòng)性能尤其是舵控系統(tǒng)操縱性能的認(rèn)識(shí)缺乏工程實(shí)用經(jīng)驗(yàn)。為研究某飛行器帶控制系統(tǒng)全尺寸柵格舵的氣動(dòng)特性,評(píng)估舵控系統(tǒng)性能,氣動(dòng)中心在FL-24(1.2m×1.2m)風(fēng)洞構(gòu)建了單獨(dú)柵格舵全尺寸模型帶控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),并開展了相應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)研究。法向力大,鉸鏈力矩小是柵格舵模型載荷的一大特點(diǎn),開展高速風(fēng)洞試驗(yàn)研究的瓶頸在于研制高靈敏度氣動(dòng)測(cè)試天平[1]。
圖1 格柵翼的兩種形式Fig.1 Two styles of grid fin
柵格舵模型展向尺寸比較大,且需要連接舵控系統(tǒng),在風(fēng)洞中只能采用風(fēng)洞側(cè)壁支撐方式,見圖2。受風(fēng)洞駐室空間限制,天平的設(shè)計(jì)總長(zhǎng)只能做到350mm左右。根據(jù)模型最大載荷估算,在M=0.4~3.0條件下,模型法向力與其余各氣動(dòng)分量的比值見表1。按照常規(guī)高速風(fēng)洞天平載荷匹配指標(biāo)要求[2],在這樣有限長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)計(jì)該天平的難度非常大。為確保風(fēng)洞試驗(yàn)安全,滿足天平的強(qiáng)度、剛度校核要求,不得不適量放大天平Mx匹配載荷,最終確定的天平設(shè)計(jì)載荷指標(biāo)見表2。
圖2 天平及模型支撐系統(tǒng)示意圖Fig.2 The sketch of balance and model support system
表1 模型匹配載荷Table 1 Matching loads of the model
表2 設(shè)計(jì)載荷(單位:N、N·m)Table 2 Design loads(Units:N、N·m)
對(duì)高速風(fēng)洞常規(guī)應(yīng)變天平而言,常規(guī)天平的長(zhǎng)度與直徑之比一般為6~10[3]。為縮短天平總長(zhǎng),增加元件布置空間,在天平的兩個(gè)端面采用了法蘭盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐連接方式,最終確定的長(zhǎng)度為350mm。同時(shí),為了增加強(qiáng)度要求,天平直徑必須加大,通過有限元分析發(fā)現(xiàn),天平直徑須做到260mm。在元件的布置上,為保證各元有足夠的空間,同時(shí)兼顧天平的強(qiáng)度、剛度和靈敏度,采用了元件串聯(lián)結(jié)構(gòu),這種布局的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)元件段互不干涉,獨(dú)立承擔(dān)和傳遞全部載荷,同時(shí),通過調(diào)節(jié)各元件段之間的等直段長(zhǎng)度,盡量減小了天平各元件段之間的相互干擾,容易獲得較高的靈敏度。
針對(duì)法向力Y,軸向力Z,在元件設(shè)計(jì)中采用了“工”梁放大結(jié)構(gòu),盡量提高這兩個(gè)元的靈敏度;針對(duì)鉸鏈力矩Mx,在元件的設(shè)計(jì)中采用了“三片梁”結(jié)構(gòu),中間梁主要承受天平的全部載荷,通過調(diào)節(jié)兩側(cè)的測(cè)量梁可以在本身強(qiáng)度變化很小的情況下讓Mx的應(yīng)變量實(shí)現(xiàn)最大。最終完成的天平設(shè)計(jì)數(shù)模見圖3。
圖3 天平結(jié)構(gòu)布局示意圖Fig.3 The sketch of balance structure
利用ANSYS與UGII的幾何接口,將幾何模型導(dǎo)入ANSYS,劃分網(wǎng)格,并在天平校心位置,分別加載表2所列載荷,得到天平各元件貼片表面的應(yīng)變?cè)茍D,如圖4所示,各元應(yīng)變計(jì)中心處的應(yīng)變?nèi)绫?所示。由圖4及表3可見,Y、Mz及My的應(yīng)變輸出最大,Z和Mx輸出相對(duì)較小,根據(jù)以往天平設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),此種天平元件靈敏度輸出,能夠分辨出模型氣動(dòng)力結(jié)果。
圖4 天平各元件靈敏度分析結(jié)果Fig.4 Every element of balance sensitivity analyzed result
表3 天平各元平均應(yīng)變Table 3 Average strain of balance
天平材料采用00Ni18Co8Mo5TiAl(工程上稱F141),由于模型載荷比較特殊,為確保試驗(yàn)的安全,選擇了M=0.9~3.0的載荷進(jìn)行了分段強(qiáng)度校核。圖5給出了典型M數(shù)載荷有限元分析結(jié)果??梢钥闯鲎畲髴?yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在測(cè)量Mz的大梁根部,表4給出了各M數(shù)下的強(qiáng)度校核結(jié)果。其中最小安全系數(shù)也在8以上,滿足試驗(yàn)的強(qiáng)度要求。
圖5 天平強(qiáng)度校核(單位:MPa)Fig.5 Intensity of the balance
表4 天平強(qiáng)度校核結(jié)果Table 4 Intensity strain of balance
天平各分量均選擇ZF1000-4AA(11)-X型號(hào)的常溫應(yīng)變計(jì)組成惠斯頓電橋,該電橋具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。各電橋均采用精密直流穩(wěn)壓電源供電,粘貼電橋圖見圖6。靜校坐標(biāo)系為地軸系,校準(zhǔn)方法同常規(guī),靜校結(jié)果見表5,各項(xiàng)靜校指標(biāo)合格。為避免舵機(jī)電磁干擾,采用了在天平外圍包薄銅皮,以及在天平輸出線和舵機(jī)控制線包錫箔紙,充分接地等措施,見圖7。試驗(yàn)結(jié)果顯示,該屏蔽措施效果良好。
圖6 天平應(yīng)變計(jì)粘貼位置圖Fig.6 Strain gauge of balance sticking position
表5 天平靜校性能指標(biāo)Table 5 Balance static calibration index
圖7 電磁干擾屏蔽措施Fig.7 Electromagnetic interfering shield step
圖8給出了M=0.7,模型法向力系數(shù)靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線。由圖可見,模型法向力系數(shù)隨迎角(振幅)變化規(guī)律合理,靜、動(dòng)態(tài)結(jié)果的一致性較好,說明天平在不同工況下,工作狀態(tài)正常,測(cè)試結(jié)果可信。
圖8 模型法向力系數(shù)靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果曲線(M=0.7)Fig.8 Normal force coefficient curves of the model with static and dynamic state(M=0.7)
圖9,10給出了M=0.7,振幅A=4°,8°時(shí),不同頻率f條件下,模型鉸鏈力矩系數(shù)Mx、舵控信號(hào)UK、舵機(jī)軸電位計(jì)反饋信號(hào)Uf1以及模型軸電位計(jì)反饋信號(hào)Uf2的時(shí)間歷程曲線(圖中,Δ為Mx單位)。從圖中可以看出,Mx與Uf2的峰值信號(hào)對(duì)應(yīng)一致,說明模型動(dòng)態(tài)氣動(dòng)滯后現(xiàn)象非常弱,同時(shí)也說明天平的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力足夠;從Mx變化規(guī)律還可以看出,天平靈敏度和抗電磁干擾的能力良好。
圖9 Uk,Uf1,Uf2,Mx隨f變化曲線(A=4°,M=0.7)Fig.9 Uk,Uf1,Uf2and Mxcurves with f transformation(A=4°,M=0.7)
圖10 Uk,Uf1,Uf2,Mx隨f變化曲線(A=8°,M=0.7)Fig.10 Uk,Uf1,Uf2and Mxcurves with f transformation(A=8°,M=0.7)
由于該天平研制之前并無先例,加之模型載荷不匹配,天平尺寸軸向徑向受到試驗(yàn)段空間限制,開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)研究十分必要。經(jīng)地面靜態(tài)校準(zhǔn)和風(fēng)洞試驗(yàn),證明該天平的研制是成功的:
(1)天平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。法蘭盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐連接方式,有效縮短了天平長(zhǎng)度;串聯(lián)結(jié)構(gòu)的元件布局形式,既減小了天平各元之間的相互干擾,又便于進(jìn)行提高個(gè)別元的測(cè)量靈敏度設(shè)計(jì);
(2)適量放寬模型估算載荷對(duì)天平設(shè)計(jì)載荷指標(biāo)的要求,有利于試驗(yàn)方案的順利進(jìn)行,同時(shí),通過試驗(yàn)過程證明這樣并不影響測(cè)量結(jié)果的可信度;
(3)天平靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果及風(fēng)洞動(dòng)、靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示,天平性能良好,滿足高速風(fēng)洞柵格舵氣動(dòng)特性測(cè)試需求。
[1] C.M.貝洛齊爾科夫斯基,Л.A.奧德諾弗爾,Ю.З.薩芬,等.李鶴清譯.柵格翼[R].中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第一設(shè)計(jì)部,1994.
[2] 陳德華,李曉華,彭云.彈射救生系統(tǒng)大迎角大側(cè)滑角天平設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2005,19(1):66-70.
[3] 施洪昌.高低速風(fēng)洞測(cè)量與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.