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    靜氣動(dòng)彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)研究

    2015-11-09 00:51:40楊賢文呂彬彬郭洪濤楊振華寇西平
    關(guān)鍵詞:風(fēng)洞試驗(yàn)迎角升力

    楊賢文,余 立,呂彬彬,郭洪濤,楊振華,寇西平

    (中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000)

    0 引 言

    靜氣動(dòng)彈性(簡稱靜彈性)是飛行器在空氣動(dòng)力作用下產(chǎn)生彈性變形而引起其氣動(dòng)特性變化的一種現(xiàn)象。靜彈性對飛行器氣動(dòng)特性有較大影響,主要表現(xiàn)為:改變飛行器的幾何外形從而改變原有氣動(dòng)載荷;影響飛行器的舵面效率及操穩(wěn)特性;可能導(dǎo)致升力面發(fā)散,出現(xiàn)翼面破壞[1-2]。例如,一些大飛機(jī)在飛行中翼尖的變形可達(dá)4~6m的量級,波音707飛機(jī)在3km高度亞聲速飛行時(shí),靜彈性可使飛機(jī)氣動(dòng)焦點(diǎn)前移0.06cA(即機(jī)翼平均氣動(dòng)弦長的6%),航向靜穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)Cnβ下降50%;具有小展弦比機(jī)翼的戰(zhàn)斗機(jī)的氣動(dòng)特性也受到靜彈性的顯著影響,具有切尖三角翼的某殲擊機(jī),在10km高度作兩倍聲速飛行時(shí),靜彈性造成氣動(dòng)焦點(diǎn)前移0.07cA,使Cnβ下降近40%[1]。

    通過理論計(jì)算或靜彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)可以獲得飛行器的靜彈性特性,從而精確預(yù)測飛行器的的氣動(dòng)特性,保證飛行器的飛行安全。國內(nèi)靜彈性領(lǐng)域的研究人員在飛行器靜彈性理論計(jì)算方面開展了廣泛的研究工作[3-7],由于靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)較為復(fù)雜,國內(nèi)關(guān)于靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)方面的研究工作比較少,而國外進(jìn)行了較多的靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)研究。俄羅斯中央空氣流體動(dòng)力研究院在Т-109、Т-128風(fēng)洞對多種飛機(jī)開展了靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)研究,研究了副翼反效、發(fā)散、靜彈性對載荷分布及氣動(dòng)力影響等問題;美國航空航天局蘭利研究中心在TDT風(fēng)洞進(jìn)行了F/A-18A飛機(jī)靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn),研究了靜彈性對升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置、舵面效率等氣動(dòng)特性的影響,測量了舵面的形變,進(jìn)行了前緣控制面發(fā)散預(yù)測[8-10]。

    通過本項(xiàng)靜彈性模型高速風(fēng)洞試驗(yàn)研究,獲得了靜彈性對升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置、襟副翼效率等氣動(dòng)特性的影響及靜彈性機(jī)翼的彎/扭應(yīng)變、變形特性,為靜彈性模型剛度試驗(yàn)、彎/扭應(yīng)變信號測量、模型變形視頻測量(VMD)及風(fēng)洞總壓控制等靜彈性風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Φ奶岣叻e累了經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)了高速風(fēng)洞靜彈性試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

    1 模型與試驗(yàn)設(shè)備

    1.1 模型

    靜彈性模型與真實(shí)飛行器需要滿足幾何外形相似和剛度相似,根據(jù)相似理論,剛度比例尺為:

    其中,kEI、kGJ、kl分別為模型與真實(shí)飛行器的彎曲剛度比、扭轉(zhuǎn)剛度比、長度比,kq為模型風(fēng)洞試驗(yàn)速壓與真實(shí)飛行器的飛行速壓比。本項(xiàng)研究中的靜彈性試驗(yàn)?zāi)P凸?個(gè),編號分別為為1#、2#、3#和4#。

    1#和2#靜彈性模型為翼身組合體測力模型,其外形相同,剛度基本一致,由剛性機(jī)身與靜彈性機(jī)翼組成。靜彈性機(jī)翼采用雙梁結(jié)構(gòu),梁架與蒙皮由復(fù)合材料增強(qiáng)玻璃纖維加工而成。模型全長約3m,展長約1.2m,機(jī)翼展長0.825m,機(jī)翼根弦長0.835m。圖1為1#和2#靜彈性模型外形及測壓剖面、應(yīng)變貼片剖面位置示意圖。

    3#和4#靜彈性模型為單獨(dú)機(jī)翼測力模型,其平面形狀相同,翼型略有差異,4#靜彈性模型剛度較3#靜彈性模型增大。靜彈性機(jī)翼采用外雙梁內(nèi)三梁結(jié)構(gòu),梁架與蒙皮由復(fù)合材料碳纖維加工而成。機(jī)翼展長1.383m,機(jī)翼根弦長0.579m。圖2為3#和4#靜彈性模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置圖[11]。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)備

    FL-26風(fēng)洞系試驗(yàn)段橫截面為2.4m×2.4m的半回流、暫沖引射式跨聲速增壓風(fēng)洞,能夠進(jìn)行變速壓試驗(yàn),試驗(yàn)Ma數(shù)為0.3~1.2。風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),模型通過側(cè)壁轉(zhuǎn)窗支撐于FL-26風(fēng)洞半模試驗(yàn)段側(cè)壁上。

    采用氣動(dòng)中心高速所五分量半模電阻應(yīng)變天平測量模型的氣動(dòng)力和力矩,采用電子掃描閥測量模型表面壓力。

    圖1 1#和2#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P虵ig.1 1#and 2#static aeroelastic testing models

    圖2 3#和4#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蛢?nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of 3#and 4#static aeroelastic testing models

    2 試驗(yàn)方法

    2.1 剛度試驗(yàn)

    剛度試驗(yàn)用于測定模型在靜態(tài)載荷下的結(jié)構(gòu)變形特性[12-15]。

    采用“定點(diǎn)加載,多點(diǎn)測量”的方法對靜彈性模型進(jìn)行撓度影響系數(shù)Cij(j表示為第j個(gè)加載點(diǎn),i表示第i個(gè)變形測量點(diǎn))測量,從而檢查靜彈性模型與真實(shí)飛行器的剛度相似程度。測量方法如下:

    (1)未加載時(shí),測量模型各變形測點(diǎn)的坐標(biāo)Yij0。

    (2)對第一變形測點(diǎn)對應(yīng)的模型下表面點(diǎn)施加上一個(gè)方向垂直向上的載荷ΔP1,測量各變形測點(diǎn)的坐標(biāo)Yij1;再施加上一個(gè)方向垂直向上的載荷ΔP2,測量各變形測點(diǎn)的坐標(biāo)Yij2。

    (3)更換加載點(diǎn),重復(fù)步驟(2)。當(dāng)所有變形測點(diǎn)對應(yīng)的模型下表面點(diǎn)加載完畢,測量完成。

    對各加載點(diǎn)加載兩次,得到兩個(gè)撓度影響系數(shù)值,然后取其平均,數(shù)據(jù)處理方法如下:

    下面給出了測得的3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蛽隙扔绊懴禂?shù)矩陣[Cij],Cij的單位為10-1mm/N,柔度測量點(diǎn)分布示意圖見圖3。

    圖3 3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P腿岫葴y量點(diǎn)分布示意圖Fig.3 Schematic of flexibility measurement points distribution of 3#static aeroelastic testing model

    2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

    對1#和2#靜彈性模型進(jìn)行了氣動(dòng)力、表面壓力分布、彎/扭應(yīng)變信號測量及變速壓試驗(yàn),對1#和2#靜彈性模型外形相同的剛模進(jìn)行了氣動(dòng)力、表面壓力分布測量對比試驗(yàn);對3#靜彈性模型及外形相同的剛模進(jìn)行了氣動(dòng)力測量試驗(yàn);對4#靜彈性模型進(jìn)行了氣動(dòng)力測量及變速壓試驗(yàn),未進(jìn)行外形相同剛模對比試驗(yàn);此外,采用模型變形視頻測量(VMD)技術(shù)[4,9]對3#和4#靜彈性模型外翼進(jìn)行了變形測量。模型的測力、測壓方法按常規(guī)方式進(jìn)行,下面只簡要介紹靜彈性模型試驗(yàn)對風(fēng)洞控制系統(tǒng)的要求、彎/扭應(yīng)變信號測量方法及彎/扭變形測量方法。

    2.2.1 靜彈性模型試驗(yàn)對風(fēng)洞控制系統(tǒng)的要求

    由于靜彈性機(jī)翼模型模擬了真實(shí)機(jī)翼的剛度,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯弱于金屬模型,而風(fēng)洞啟動(dòng)、關(guān)車過程沖擊載荷較大,為了避免靜彈性機(jī)翼模型在試驗(yàn)過程被損壞,要求進(jìn)行靜彈性模型試驗(yàn)時(shí),風(fēng)洞啟動(dòng)、關(guān)車過程的速壓變化平滑、不能出現(xiàn)大的波動(dòng)。由于靜彈性模型的氣動(dòng)特性受速壓影響,進(jìn)行靜彈性模型試驗(yàn)時(shí),在流場穩(wěn)定階段,要求總壓控制精度高。

    2.2.2 靜彈性模型彎、扭應(yīng)變測量

    彈性模型內(nèi)部應(yīng)變片組橋電路為半橋電路,采用精密電阻與模型內(nèi)部的應(yīng)變片組成應(yīng)變測量電路,彎、扭應(yīng)變信號由4芯屏蔽電纜傳輸,采用信號調(diào)理板、多功能數(shù)據(jù)采集卡、零槽控制器測量應(yīng)變信號。

    2.2.3 靜彈性模型彎、扭變形測量

    在試驗(yàn)?zāi)P偷纳媳砻娌贾脴?biāo)記點(diǎn),用兩臺高分辨率攝像機(jī)在風(fēng)洞試驗(yàn)段頂部的觀測窗口拍攝試驗(yàn)圖像,利用雙目立體視覺的原理,測量試驗(yàn)?zāi)P蜕蠘?biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)值,再通過對比試驗(yàn)前后標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)位置來計(jì)算試驗(yàn)?zāi)P蜋C(jī)翼在氣動(dòng)載荷下的變形量。3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蚔MD標(biāo)記點(diǎn)分布如圖4所示。

    3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    3.1 靜彈性對升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置及襟副翼效率的影響

    由表1可知,1#、2#和3#靜彈性模型較剛性模型升力線斜率下降,氣動(dòng)焦點(diǎn)前移。表中cA為平均氣動(dòng)弦長。

    圖4 3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蚔MD標(biāo)記點(diǎn)分布Fig.4 VMD targets distribution of 3#static aeroelastic testing model

    表1 靜彈性對升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置的影響Table 1 Static aeroelastic effects on lift curve slope and aerodynamic center position

    表2給出了2#靜彈性模型、剛性模型的襟副翼效率對比結(jié)果。模型的襟副翼位于機(jī)翼后緣內(nèi)側(cè)。襟副翼效率是在襟副翼偏角δ=0°~-5°范圍內(nèi)獲得,2#靜彈性模型襟副翼效率較剛性模型明顯下降。表2中,Clδ、Cmδ分別為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)對襟副翼偏角的導(dǎo)數(shù)。

    由表3和表4可知,在本項(xiàng)試驗(yàn)研究的速壓變化范圍內(nèi),速壓對1#、2#和4#靜彈性模型的升力線斜率及氣動(dòng)焦點(diǎn)位置影響較小。

    表2 靜彈性對襟副翼效率的影響Table 2 Static aeroelastic effects on aileron and flap efficiency

    表3 速壓對1#和2#靜彈性模型升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置的影響(Ma=0.60)Table 3 Dynamic pressure effects on lift curve slope and aerodynamic center position for 1#and 2#static aeroelastic models(Ma=0.6)

    表4 速壓對4#靜彈性模型升力線斜率、氣動(dòng)焦點(diǎn)位置的影響(Ma=0.74)Table 4 Dynamic pressure effects on lift curve slope and aerodynamic center position for 4#static aeroelastic model(Ma=0.74)

    上述試驗(yàn)結(jié)果符合靜彈性模型氣動(dòng)特性變化規(guī)律。靜彈性后掠機(jī)翼的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形使有效迎角變?。?6],且隨著迎角增大,有效迎角減小幅度愈大,這是產(chǎn)生靜彈性模型較剛性模型升力線斜率下降的原因;在正升力作用下,與剛性機(jī)翼相比,靜彈性機(jī)翼前、后緣均出現(xiàn)繞剛軸上翹變形現(xiàn)象,從而導(dǎo)致靜彈性機(jī)翼前緣的載荷增加、后緣的載荷減小,靜彈性模型較剛性模型氣動(dòng)焦點(diǎn)前移;負(fù)偏度的襟副翼引起的負(fù)升力使靜彈性機(jī)翼產(chǎn)生抬頭方向的扭轉(zhuǎn),這樣,靜彈性模型負(fù)偏度襟副翼引起的升力和滾轉(zhuǎn)力矩增量都較剛性模型減小,此外,由于氣動(dòng)載荷作用,彈性襟副翼偏度量值會(huì)較剛性襟副翼減小,因此,靜彈性模型襟副翼效率較剛性模型明顯下降。

    3.2 靜彈性對模型表面壓力分布的影響

    圖5給出了2#靜彈性機(jī)翼模型、剛性機(jī)翼模型表面壓力對比曲線。由于靜彈性機(jī)翼模型變形較大,靜彈性機(jī)翼模型與剛性機(jī)翼模型表面壓力差異明顯。

    在Ma=0.6、迎角α=2°、速壓q=21.8kPa時(shí),2#靜彈性機(jī)翼模型前緣的上表面壓力低于剛性機(jī)翼模型,后緣的上表面壓力高于剛性機(jī)翼模型,這可能是在氣動(dòng)載荷作用下,靜彈性機(jī)翼模型前緣扭轉(zhuǎn)變形當(dāng)?shù)赜窃龃蠖缶壟まD(zhuǎn)變形當(dāng)?shù)赜菧p小所致。

    圖5 2#靜彈性機(jī)翼模型與2#剛性機(jī)翼模型壓力分布對比(Ma=0.6,α=2°,q=21.8kPa)Fig.5 Comparison of section pressure for 2#static aeroelastic and rigid wing models(Ma=0.6,α=2°,q=21.8kPa)

    3.3 靜彈性模型彎、扭應(yīng)變測量結(jié)果

    靜彈性機(jī)翼模型彎、扭應(yīng)變測量旨在獲得靜彈性機(jī)翼模型的彎、扭應(yīng)變分布,彎、扭應(yīng)變測量結(jié)果可用于分析模型載荷特性[8]。在風(fēng)洞試驗(yàn)前,按以下方法進(jìn)行彎、扭應(yīng)變標(biāo)定:對靜彈性機(jī)翼模型下表面各加載點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)加載,獲得各加載點(diǎn)單位載荷作用下靜彈性機(jī)翼模型15個(gè)應(yīng)變片貼片點(diǎn)的彎、扭應(yīng)變信號,即應(yīng)變測量電橋輸出的電壓信號。圖6給出了風(fēng)洞試驗(yàn)靜彈性機(jī)翼模型彎、扭應(yīng)變信號測量結(jié)果,彎、扭應(yīng)變信號隨迎角增加基本呈線性變化,與升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)在小迎角范圍內(nèi)隨迎角增加基本呈線性變化的規(guī)律一致。

    圖6 彎/扭應(yīng)變信號隨迎角的變化曲線(Ma=0.6,q=21.8kPa)Fig.6 Bending and torsion strain signals versus angles of attack(Ma=0.6,q=21.8kPa)

    3.4 靜彈性模型彎、扭變形測量結(jié)果

    3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P?個(gè)變形測量弦向剖面距翼根距離分別為0.692m、0.791m、0.892m、0.992m、1.093m、1.193m。圖7給出了3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P?個(gè)弦向剖面50%當(dāng)?shù)叵议L位置的彎曲變形測量結(jié)果。圖8給出了3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P?個(gè)弦向剖面的扭轉(zhuǎn)變形測量結(jié)果(對于大展弦比機(jī)翼,假定弦向剖面是絕對剛硬的[16])。3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蜑榇笳瓜冶群舐訖C(jī)翼,在正迎角時(shí),模型上翹彎曲變形,剖面氣動(dòng)彈性扭轉(zhuǎn)變形角為負(fù)值(使有效迎角減?。?,剖面越靠近翼尖彎、扭變形越大;在Ma=0.8、α>2°時(shí),剖面彎、扭變形隨迎角增加增幅減小,這是由于翼面繞流出現(xiàn)分離從而升力系數(shù)隨迎角增加增幅減小所致(如圖9所示)。

    圖7 3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蛷澢冃螠y量結(jié)果Fig.7 Blending deformation measurement results of 3#static aeroelastic testing model

    圖8 3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P团まD(zhuǎn)變形測量結(jié)果Fig.8 Torsional deformation measurement results of 3#static aeroelastic testing model

    圖9 3#靜彈性試驗(yàn)?zāi)P蜕ο禂?shù)隨迎角的變化曲線Fig.9 Lift coefficient versus angles of attack for 3#static aeroelastic testing model

    4 結(jié) 論

    通過本項(xiàng)研究,得出以下結(jié)論:

    (1)靜彈性翼身組合體和單獨(dú)機(jī)翼模型較剛性模型均出現(xiàn)了升力線斜率下降、氣動(dòng)焦點(diǎn)前移現(xiàn)象,2#靜彈性模型襟副翼效率較剛性模型明顯下降。在本項(xiàng)試驗(yàn)研究的速壓變化范圍內(nèi),速壓對1#、2#和4#靜彈性模型的升力線斜率及氣動(dòng)焦點(diǎn)位置影響較小。

    (2)2#靜彈性模型與剛性模型表面壓力差異明顯。在Ma=0.6、迎角α=2°、速壓q=21.8kPa時(shí),2#靜彈性機(jī)翼模型前緣的上表面壓力低于剛性機(jī)翼模型,后緣的上表面壓力高于剛性機(jī)翼模型。

    (3)在小迎角范圍內(nèi),靜彈性機(jī)翼模型彎、扭應(yīng)變信號隨迎角增加基本呈線性變化。

    (4)在正迎角時(shí),大展弦比后掠機(jī)翼靜彈性模型的剖面扭轉(zhuǎn)變形使有效迎角減小,剖面越靠近翼尖彎、扭變形越大。

    本項(xiàng)研究中的模型剛度試驗(yàn)、測力、測壓、彎/扭應(yīng)變信號測量、模型變形視頻測量(VMD)及風(fēng)洞總壓控制等試驗(yàn)技術(shù)成熟,為飛行器靜彈性研究提供了良好的試驗(yàn)平臺。

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