一種高速風洞中測量飛行器三自由度動穩定參數的裝置的製作方法

2023-04-30 02:57:06

本發明涉及飛行器三自由度動穩定參數測量技術領域，具體地說是一種在高速風洞中測量飛行器三自由度動穩定參數的裝置。

背景技術：

飛行器的動、靜穩定參數或動、靜穩定導數是衡量飛行器操縱性和穩定性的重要參數，它是運動參數(角位移、線速度或角速度分量)或運動參數的時間變化率造成飛行器所受的氣動力或力矩(係數)的變化的特徵參數。

現代軍用戰鬥機為了提高其戰鬥性能，往往要求能進行各種高難度的機動飛行。飛行器不但要有足夠的穩定性，尤其是要有精確的可操縱性或可制導性。飛行器的機動性越好，可操縱性品值越高，飛行器的戰鬥力和生存力也就越強。然而，在大攻角和大機動飛行條件下，飛行器周圍的流場十分複雜，加之越來越複雜的氣動外形以及各種形式的氣流分離、旋渦，使得以往的工程計算法、計算流體力學的方法都難以滿足飛行器飛行品值的估算要求。風洞動穩定試驗成為飛行器研製中的必要組成部分。

對運輸機、旅客機和其他民用機而言，提高飛機在各種幹擾和大氣湍流條件下的穩定品值和軌跡穩定性也日益重要。例如，現代旅客 機對安全性，尤其是舒適性，有越來越高的要求，這已成為購買現代旅客機的重要條件。這就要求飛行器對各種大氣湍流、微爆有良好的阻尼性能。在起飛或者降落時，由於飛行器速度較低，可利用改正高度又不多，飛行器的動、靜穩定性指標就更為重要。

總之，對現代飛行器，不管是軍用戰鬥機還是民用客機，精確地給準不同自由度上，尤其在高速條件下的動、靜穩定導數，已是飛行器發展中必須解決的問題。但是，由於高速風洞試驗允許的結構空間很小，而氣動載荷，特別是法向力和俯仰力矩又很大。在這樣的條件下，不但要能支承模型所受的載荷，而且能提供三個自由度的運動和足夠的運動空間以及足夠的驅動力矩，還要精確地測定模型所受的氣動載荷和模型角位移，是十分困難的任務。這也是至今在高速風洞中只有單自由度的動態設備，而尚無三自由度風洞試驗設備的原因。

中國專利CN101726401公開的一種用於俯仰動導數實驗的天平測量裝置。該裝置用裝在支杆內的電機作為驅動源，通過軸承支承的傳動軸、前端的偏心輪、在滑槽中的凸塊等部件來驅動十字型彈性元件前端，使與之相連的五分量天平繞十字元件的中心作俯仰振動。模型的所受的載荷信號由五分量天平輸出，角度信號由十字型元件上的應變片輸出，由此求得氣動參數。除了只能作俯仰單自由度的測試外，由於支杆空間對電機的限制，電機尺寸和相應的功率不可能很大。另外，軸承、滑塊和滑槽等的間隙和它們的不確定性也會對運動波形帶來不能忽視的畸變和相應的測量誤差。還有，驅動模型俯仰的力矩是經過一根細長的圓杆來傳遞扭矩來實現的。細長杆在扭矩下的角度變 形也會對模型俯仰運動的波形和測量誤差帶來影響。

中國專利CN102998082所公開的另一種用於俯仰方向上的動導數實驗裝置。除了只能作俯仰單自由度的測試外，該裝置由電機經平行雙曲柄機構驅動支杆並進而推動模型做俯仰振動。這種機構只可能用腹支承的形式來支承模型並驅動模型作俯仰振動，只在低速風洞中使用；另外，所有軸承和支承機構中的間隙都會給模型運動波形帶來誤差，從而給測量結果帶來很大影響。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種在高速風洞中測量飛行器三自由度動穩定參數的裝置。

本發明解決其技術問題所採取的技術方案是：高速風洞中測量飛行器三自由度動穩定參數的裝置，其特徵是，它包括俯仰振動筒、筒式天平、俯仰激振器、第一和第二偏航/滾轉激振器、丁字型支杆、框架、第一和第二連杆、滑杆、尾支杆、飛行器模型、後端彈性鉸鏈、中部彈性鉸鏈、前端彈性鉸鏈、俯仰彈性鉸鏈、偏航彈性鉸鏈、滾轉彈性鉸鏈，滾轉傳感器等。

在所述尾支杆內設有俯仰激振壓電陶瓷激振器組，所述俯仰激振壓電陶瓷激振器組由框架組聯後與第一連杆的後端彈性鉸鏈連接，所述第一連杆的中部與尾支杆上的中部彈性鉸鏈連接，所述第一連杆的前端與振動筒由前端彈性鉸鏈連接,所述振動筒與尾支杆由俯仰彈性鉸鏈相連；

進一步地，在所述俯仰振動筒的內腔中設有丁字型支杆，所述丁 字型支杆上豎直軸的兩端與振動筒由偏航彈性鉸鏈連接，所述丁字型支杆上水平軸的兩端與筒式天平由滾轉彈性鉸鏈連接；

進一步地，在所述筒式天平內設有第一偏航/滾轉壓電陶瓷激振器和第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器，第一、第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器的一端固定在振動筒上，第一、第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器的另一端分別與對應的第二連杆彈性鉸鏈連接，兩所述第二連杆均與筒式天平由彈性鉸鏈連接；

進一步地,在所述振動筒與尾支杆的彈性鉸鏈的彈性片上設有應變片，用以測量俯仰角的變化,在所述筒式天平內、丁字型支杆的前端設有彈性片，其上設有反應滾轉角的應變片,在丁字型支杆的上、下端與振動筒相連的偏航彈性鉸鏈的彈性片上也有應變片，以測量偏航角的變化。

進一步地，在第一、第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器上固定有導軌端塊，在所述尾支杆上設有導杆，所述導杆與導軌端塊滑動連接。

進一步地，所述筒式天平為薄壁結構。

本發明的有益效果是：本發明提供的高速風洞中測量飛行器三自由度動穩定參數的裝置，使用兩級運動平臺的方式：振動筒相對尾支杆的俯仰平面內的俯仰振動，天平相對振動筒作偏航和滾轉的振動。模型的偏航和滾轉振動軸和俯仰振動軸永遠保持正交關係，從而使模型得以獲得繞三個垂直軸的三自由度運動；所有運動部件的關節都由彈性鉸鏈相連；薄壁盒式五分量天平提供了高剛度、高靈敏度和大的內部安裝空間。本發明放在風洞中，可精確測量高速風洞中飛行器三 自由度動穩定參數。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構圖；

圖2為筒式天平的三維結構圖；

圖3為筒式天平經丁字型支杆、彈性鉸鏈與振動筒相連的機構圖；

圖4為平行放置的偏航/滾轉壓電陶瓷激振器以及與天平和振動筒之間的連接圖；

圖5為放在尾支杆內的俯仰激振壓電陶瓷激振器以及一字型、十字型鉸鏈組和連杆機構；

圖6為筒式天平和模型連接的結構圖；

圖7為風洞動態試驗數據處理流程圖；

圖8為圖2的正視圖；

圖9為圖8中的A-A剖視圖；

圖中:101尾支杆，102俯仰激振壓電陶瓷激振器，103框架，104後端彈性鉸鏈，105中端彈性鉸鏈，106前端彈性鉸鏈，107第二十字型鉸鏈，108第一連杆，109筒式天平，110飛行器模型，111縱、橫向加固銷釘，112滑杆，113滑槽，114俯仰振動筒，115丁字型支杆,116偏航彈性鉸鏈,117定位銷釘,118後滾轉彈性鉸鏈,119前滾轉彈性鉸鏈,120第一偏航/滾轉壓電陶瓷激振器,121第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器,122第二連杆,123滾轉彈性片,124導杆,125導軌端塊,126彈性片,127後銷釘,128中銷釘座,129前銷釘,130俯仰定位銷釘,131偏航定位銷釘,132天平前錐，133俯仰力矩和法向力測力元件，134偏航力矩和側向力測力元件，135滾轉力矩測力元件。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細描述。

如圖1到圖7所示，在筒式天平的前端安裝飛行器模型110，安裝在尾支杆101內的俯仰激振壓電陶瓷激振器組102經框架103組聯後由一字型鉸鏈104推動第一連杆108繞第一十字型鉸鏈105的軸心俯仰振動。第一連杆前端經前一字型鉸鏈106與振動筒114相連並推動振動筒114沿振動筒與尾支杆相連的第二十字型鉸鏈107的軸心俯仰振動。這樣，當壓電陶瓷激振器上下直線振動時，第一連杆可以繞第一連杆中部的旋轉中心作俯仰振動。圓弧到直線運動的徑向差額由一字型鉸鏈的側向柔度來補償。當振動筒的俯仰振幅1.5度，連杆上俯仰振動的臂長為100毫米，這一徑向變化僅為0.021毫米。在這樣的側向變形下,雖然一字型鉸鏈承受了1125牛頓的拉、壓載荷，它仍然在壓杆穩定的範圍允許範圍內。

在振動筒內有一個丁字型支杆115，丁字型支杆的垂直軸的上下端經十字型鉸鏈與振動筒相連，丁字型支杆的水平軸上有丁字杆後十字型鉸鏈118、丁字杆前十字型鉸鏈119與筒式天平109相連。這樣，筒式天平可繞丁字型支杆的垂直軸的上下十字型鉸鏈相對振動筒作偏航振動。筒式天平還可繞丁字型支杆的水平軸上的十字型鉸鏈相對振動筒作滾轉振動。

在筒式天平內平行放置了兩個壓電陶瓷激振器，分別為第一偏航/滾轉壓電陶瓷激振器120和第二偏航/滾轉壓電陶瓷激振器121，放置的方向與俯仰方向正交。另外，這兩個壓電陶瓷激振器的一端固定在振動筒上，另一端和各自的第二連杆122相連，並經彈性鉸鏈123與筒式天平相連。這裡，彈性鉸鏈的作用與前述的一字型鉸鏈類似，只不過它的側向變形為第二連杆和天平圓弧運動引起的側向變形之和。如天平轉臂為20毫米，該側向變形最大為0.012毫米，在一字片的壓杆穩定範圍之內。

另外，為了使激振器能精確地線性驅動，避免側向載荷的影響，尾支杆上有垂直運動的導杆124，該導杆與激振器的動端(上部)的導軌端塊125上的導孔採用了滑動配合的形式。這樣，就保證了與激振器的準確的上下直線運動。

通過上述安排，這兩個壓電陶瓷激振器既可驅使天平相對振動筒作偏航、滾轉振動，又可驅使天平相對振動筒作偏航和滾轉的組合振動。

在第二十字型鉸鏈107上輻條的適當位置貼有應變片，並組成惠斯登電橋，以反映天平相對支杆的偏航的瞬時轉角歷程。在筒式天平109內、丁字型支杆115的前端，有一反應滾轉角的彈性片126，分別與筒式天平109和丁字型支杆115相連，上面粘有反映模型滾轉角的應變片。

筒式天平109可為五分量天平，為了滿足縱向載荷較大而側向載荷較小的要求，筒式天平上有三套測力元件組，即俯仰力和法向力測力元件133、偏航力矩和側向力測力元件134和滾轉測力元件135，分別對應測量縱向、側向和滾轉氣動載荷。每一元件組分別由兩個不同截面上的四柱梁式組合元件構成。對應側向測力元件的兩個同截面間的距離比測縱向測力元件的距離大，以滿足天平對側向載荷和對縱向載荷的不同靈敏度的要求。在筒式天平109上還設有俯仰定位銷釘130、偏航定位銷釘131和天平前錐132。

在俯仰力矩MZ和偏航力矩MY作用下，截面I和截面II的應力和應變分別由下式計算：

對俯仰力矩MZ，

對偏航力矩MY，

對滾動力矩Mx，

由於結構限制，筒式天平109的兩個截面不可能橫跨於模型旋轉中心(第二十字型鉸鏈107)的兩側，只能儘量靠近模型的旋轉中心。在筒式天平109的應變梁上的適當位置貼有應變片並組成電橋，分別測出瞬時的法向、側向力和俯仰、偏航、滾轉力距，輸入存儲器和計算機。

為了減少氣流脈動等測量誤差的影響，鉸鏈上輸出的模型角位移信號和吹風時筒式天平109輸出的載荷信號經互相關處理和三周期方程的參數識別後，給出相關的靜、動氣動係數。

天平輸入(即主運動訊號)為X(t)＝P0sinωt

天平輸出為Y(t)＝S0sin(ωt+η)+n(t)

若噪聲與主運動不相關，則上式可寫成

同樣，如果X(k)和Y(k)都是寬平穩各態偏歷的均值為零的離散過 程，則序列X(k)和Y(k)的互相關函數為

Rxy(l)＝E{X(k)Y(k+l)}

對應的估計量或稱樣本互相關函數為

l＝0,±1,±2,…,±(L-1)

L為數據長度

數據處理時，應先扣除各信號的平均值，以消除常數項，然後進行相關運算。其中採樣間隔，總樣本數，最大滯後數L等，根據試驗頻率、訊噪比、要求的精度及系統通頻帶等因素決定。

當模型作三自由度振動時，動穩定參數要經過三周期運動的模數識別來求得：

當模型繞重心三自由度運動時，模型的運動可用描述進動、章動和滾動運動的三周期理論描述：

引入復角形式

ξ＝iα+β

上述方程經簡化後可寫為：

方程解可寫為

式中右邊三部分為章動進動、進動和滾動三模態。其中k1，k2，k3為複數，將上式寫為兩個實變量形式有

上式中A1，B1，A2，B2是與初始條件α0，β0，有關的常數。頻率及阻尼項ω1，ω2，λ1，λ2是與除Mδδ以外待求的氣動參數有關的參數：

Mα＝-Iω1ω2

Mq＝I(λ1+λ2)

現在的待估向量為：

[ξ]＝[A1,B1,A2,B2,A3,B3,ω1,ω2,λ1,λ2]T

其中A1到B3為α,β的線性函數，而ω1到λ2為α,β的非線性函數。

建立估值函數

J＝Σ[α(t)-αi]2+[β(t)-βi]2

其中αi,βi為t＝ti的數據點。

將α(t),β(t)對每組變量ω1,ω2,λ1,λ2在預估值處展開，有

其中至為預估值，ω1至λ2為預估值的增量。

由可求得ξ的最優估計。其分量形式如有

其中殘差

由於是在預估參數處取值，故等為常數，上式左邊第一大項為零，而有

若令[Cj]＝[ω1,ω2,λ1,λ2]T則上式寫成矩陣表達式為：

[Fkj][Cj]＝[Rlk]

其中[Fkj]為方陣，第k行j列元素為

例如

[Rlk]為列向量，並有

例如

由矩陣表達式，若[Fkj]無奇點，又非正交，則有

{ξj}＝[Fkj]-1{Rlk}＝[Fjk]{Rlk}

由上式，只要[Fkj,Rlk]求得，就可解出新的再有增量式

繼續迭代，直到殘差平方和小於某一要求量為止。

而[Fkj]及[Rlk]中各項α,β對ω1至λ2的偏導數亦可求得：

現在來求A1,B1,A2,B2,A3,B3，攻角和測滑角可寫為：

由於

前式中其它偏導數亦可類似求得。於是由

上式對某分量(例如A1)的表達式為

考慮到等在i點為常數，於是有：

或可改寫為：

上述方程共有六個，可解出A1到B3六個未知數，從而求出各項動穩定參數。