全尺寸柵格舵鉸鏈力矩天平研制

陳建中，易國慶，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.中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽621000）

0 引 言

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控制舵面，在中國自主研制的飛行器中的應(yīng)用尚屬空白，對其氣動性能尤其是舵控系統(tǒng)操縱性能的認(rèn)識缺乏工程實(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特性，評估舵控系統(tǒng)性能，氣動中心在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，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測試天平［1］。

圖1 格柵翼的兩種形式Fig.1 Two styles of grid fin

1 天平設(shè)計方案

1.1 天平支撐方案及載荷匹配要求

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)計總長只能做到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］，在這樣有限長度范圍內(nèi)設(shè)計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)計載荷（單位：N、N·m）Table 2 Design loads（Units：N、N·m）

1.2 天平結(jié)構(gòu)設(shè)計

對高速風(fēng)洞常規(guī)應(yīng)變天平而言，常規(guī)天平的長度與直徑之比一般為6～10［3］。為縮短天平總長，增加元件布置空間，在天平的兩個端面采用了法蘭盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐連接方式，最終確定的長度為350mm。同時，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)在于每個元件段互不干涉，獨(dú)立承擔(dān)和傳遞全部載荷，同時，通過調(diào)節(jié)各元件段之間的等直段長度，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。

針對法向力Y，軸向力Z，在元件設(shè)計中采用了“工”梁放大結(jié)構(gòu)，盡量提高這兩個元的靈敏度；針對鉸鏈力矩Mx，在元件的設(shè)計中采用了“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

2 元件靈敏度分析

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)變云圖，如圖4所示，各元應(yīng)變計中心處的應(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輸出相對較小，根據(jù)以往天平設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，此種天平元件靈敏度輸出，能夠分辨出模型氣動力結(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

3 強(qiáng)度校核分析

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。可以看出最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在測量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

4 粘貼、校準(zhǔn)與電磁屏蔽措施

天平各分量均選擇ZF1000－4AA（11）－X型號的常溫應(yīng)變計組成惠斯頓電橋，該電橋具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高等優(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

5 典型試驗(yàn)結(jié)果

圖8給出了M＝0.7，模型法向力系數(shù)靜、動態(tài)測試結(jié)果對比曲線。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，測試結(jié)果可信。

圖8 模型法向力系數(shù)靜、動態(tài)測試結(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，不同頻率f條件下，模型鉸鏈力矩系數(shù)Mx、舵控信號UK、舵機(jī)軸電位計反饋信號Uf1以及模型軸電位計反饋信號Uf2的時間歷程曲線（圖中，Δ為Mx單位）。從圖中可以看出，Mx與Uf2的峰值信號對應(yīng)一致，說明模型動態(tài)氣動滯后現(xiàn)象非常弱，同時也說明天平的動態(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）

6 結(jié) 論

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)行提高個別元的測量靈敏度設(shè)計；

（2）適量放寬模型估算載荷對天平設(shè)計載荷指標(biāo)的要求，有利于試驗(yàn)方案的順利進(jìn)行，同時，通過試驗(yàn)過程證明這樣并不影響測量結(jié)果的可信度；

（3）天平靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果及風(fēng)洞動、靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示，天平性能良好，滿足高速風(fēng)洞柵格舵氣動特性測試需求。

［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］.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第一設(shè)計部，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)洞測量與控制系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.