全尺寸內埋武器艙艙門鉸鏈力矩測量方法

彭 超，王玉花，汪多煒，譚顯慧

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著F22、F35等第四代戰斗機的出現，人們普遍認識到機載武器內埋的重要性，一方面武器內埋能夠使作戰飛機的外形更加簡潔，減少敵方雷達波的反射；另一方面由于阻力和結構振動等原因，外掛武器的飛機難以作長時間的超聲速巡航［1－2］。為了滿足隱身和超聲速巡航的需要，新一代戰斗機大都采用內埋式武器裝載方式［3］。當要求進行武器發射時，武器內埋系統需要完成艙門迅速開啟、武器出艙與分離投放、發射裝置收回、艙門快速關閉等動作［4－6］。因此，在艙門研制過程中，為了保證飛機具有良好的機動性和跟隨性，準確測量艙門上承受的鉸鏈力矩顯得尤為重要，以便為研制艙門作動器及相關控制系統提供依據［7－8］。

目前，在風洞試驗中，較為成熟的鉸鏈力矩測量方法有全模型試驗方法、半模型試驗方法及測壓法等。前2種方法都是根據飛行器的特點及測量要求設計專用的鉸鏈力矩天平安裝在飛行器上，通過風洞試驗測量出作用在飛行器操縱面或全動翼面模型上的鉸鏈力矩。測壓法則是在模型的表面加工測壓孔，通過積分求得鉸鏈力矩［9－10］。全尺寸內埋武器彈艙使用的是1∶1的真實彈艙模型，為了確保內埋彈艙及各個傳動部件的真實性，一方面不允許在模型表面加工測壓孔來測量鉸鏈力矩，另一方面也不可能用在模型中安裝專用鉸鏈力矩天平的方法來測量作用在艙門上的鉸鏈力矩，只能利用現有艙門上零部件實現對內埋武器艙門的鉸鏈力矩的測量。本文在分析內埋武器彈艙艙門的結構特點及受力情況的基礎上，運用風洞應變天平的測量原理，實現內埋武器彈艙艙門鉸鏈力矩的測量。

1 武器艙門的結構及受載特點

1.1 武器艙門的結構特點

武器艙門由主艙門（大艙門）、輔助艙門（小艙門）和隨動艙門構成。圖1所示的是F22武器艙［8］。

圖1 F－22的內埋武器艙Fig.1 Internal weapon cavity on F－22

艙門打開與關閉動作是通過作動器的旋轉來實現的，作動器的活動耳片與大艙門短梁連接，作動器的固定耳片與機身支座連接，大艙門與小艙門通過轉軸連接，小艙門通過拉桿固定在彈艙內壁。

1.2 武器艙門受載特點

武器艙門的力學要件是由大艙門、小艙門、艙內壁以及拉桿形成四連桿機構，實現艙門打開與關閉動作過程中力的傳遞。在飛機飛行或試驗過程中，武器艙門受載特點如下：

（1）武器艙艙門主要承受氣動及慣性載荷作用，艙門所受到的氣動載荷力矩由與旋轉作動器連接的艙門短梁傳遞；

（2）艙門打開狀態，氣動載荷及慣性載荷與作動器把持力矩、機身接頭支座反力平衡；

（3）艙門上承受的鉸鏈力矩通過作動器的活動耳片傳遞到作動器上，而作動器驅動武器艙門的打開和關閉的動作也是通過作動器的活動耳片來實現的。

因此，作動器的活動耳片是艙門鉸鏈力矩測量的關鍵部件。

2 艙門鉸鏈力矩測量原理

考慮到操作的方便性，選擇在作動器的活動耳片外側表面粘貼A、B 2組應變計，并組成半橋工作模式，如圖2所示。

圖2 應變計粘貼位置及接線示意圖Fig.2 Sketch of strain gauge position and wiring

圖中，R為外接精密標準電阻，P＋為電源正極，P－為電源負極，S＋為信號正。

如果應變計A、B位置完全對稱，當施加力矩載荷時，電壓信號疊加將自動抵消由于慣性力引起的電壓輸出，而鉸鏈力矩信號輸出雙倍應變計A（或B）的電壓信號；當對耳片施加力，電壓信號疊加將自動抵消由于力矩引起的電壓輸出，而力信號輸出雙倍應變計A（或B）的電壓信號。否則，在工作公式中作為干擾加以修正，消除力對鉸鏈力矩測量的影響。

3 鉸鏈力矩測量技術指標

風洞試驗擬在2.4m×2.4m跨聲速風洞中進行，試驗Ma＝0.3～1.4，試驗迎角α＝0°，艙門角度0°～128°。鉸鏈力矩載荷及測量要求如表1所示。

表1 鉸鏈力矩載荷及測量誤差指標Table 1 Loads and measurement error evaluation of hinge moment

4 鉸鏈力矩的校準方法

武器艙門鉸鏈力矩的校準按下列方法進行：無艙門時，對每個耳片單獨進行力及力矩校準，用疊加法、均值法求取鉸鏈力矩公式；艙門安裝好后，進行單點校準及多點同時施加不同載荷的綜合校準，用迭代法驗證鉸鏈力矩公式的可靠性［9－11］。

為了準確測量艙門的鉸鏈力矩，校準時必須保持校準狀態與試驗狀態的一致，為此，需設計加工模擬短梁和加載裝置如圖3所示。

圖3 校準示意圖Fig.3 Sketch of calibration

模擬短梁與武器艙艙門短梁完全一致，確保在安裝艙門前后，力及力矩的作用點保持不變；加載裝置上安裝有7個滑輪組，其中每個滑輪組由3個滑輪組成，上面的2個滑輪為力加載滑輪，中間的1個滑輪為力矩加載滑輪，7組滑輪之間的距離與大艙門上的短梁之間的距離保持一致，確保了施加力及力矩方向的正確性；同時既可以實現單獨對模擬短梁實施力或力矩加載，又可以實現對所有短梁同時施加不同載荷；力F作用點為大艙門、小艙門的轉軸位置，這樣就保證耳片在有無艙門時的受力狀態一致。

4.1 無艙門時，鉸鏈力矩的校準

無艙門時，將模擬短梁安裝在作動器的活動耳片上，分別對每個耳片單獨進行力及力矩的校準，加載方式如圖3所示。圖3中模擬短梁的豎直面為艙門90°時作動器耳片所處的位置，施加F1時進行力加載，施加F2時進行力矩加載。

4.1.1 力加載及數據處理方法

在模擬短梁上分別通過加載裝置上面的2個滑輪對各個耳片單獨施加力載荷（n組等階梯載荷加載），記錄各電橋的輸出電壓信號，用疊加法、均值法計算出力的主項系數及力對力矩的干擾系數；

式中：i＝1，2，…，n。ΔUAi、ΔUBi為應變計A、B組成電橋第i階梯的末讀數與初讀數之差，mV；UAi、UA0為應變計A組成電橋的第i階梯的末讀數及初讀數，mV；UBi、ΔUB0為應變計B組成電橋的第i階梯的末讀數及初讀數，mV；KF為力的主項系數，kg／mV；KFM為力對力矩的干擾系數，mV／kg；Fi為施加力的階梯載荷值，kg；n為施加力的階梯數。

4.1.2 力矩加載及數據處理方法

式中：KM為力矩的主項系數，kg·m／mV；KMF為力矩對力的干擾系數，mV／kg·m；Mi為施加力矩的階梯載荷值，kg·m；其余各參數的定義、單位同公式（1）～（4）。

4.1.3 鉸鏈力矩公式

為了得到較為準確的測量結果，需要在鉸鏈力矩公式中加入力對力矩修正項，通過迭代求得模型承受的鉸鏈力矩，具體的鉸鏈力矩工作公式如下：

式中：ΔUA、ΔUB為在載荷作用下，應變計 A、B組成電橋末讀數與初讀數之差，mV；其余各參數的定義，單位同公式（1）～（6）。

4.2 有艙門時，鉸鏈力矩的校準

當武器艙門安裝好后，武器艙艙門及艙門上的7根短梁、7組耳片和拉桿就構成了一個整體（四連桿機構），無論是在各個轉軸處單獨施加載荷或在多個轉軸處同時施加不同載荷，所有耳片都產生變形 。

4.2.1 鉸鏈力矩測量值的計算方法

當旋轉作動器使大艙門處于不同的開度α1時，分別通過各轉軸對大艙門單獨施加載荷或同時施加不同載荷，如圖4所示。記錄各電橋的輸出電壓信號。

根據公式（7）、（8）用迭代法分別計算出各個耳片上感受的力Fi和力矩Mi（i＝1，2，……，7），從而得出武器艙門承受的力和鉸鏈力矩：

圖4 載荷的施加與載荷分解示意圖Fig.4 Sketch of the exertion and decomposition of loading

4.2.2 鉸鏈力矩理論值的計算方法

手工書籍的創作特色就是其形態在很大程度上體現了設計者的個性，它無需考慮工藝上的制約，只需要構思并將其創作出來。例如，以“輪回”為主題，要求學生在書籍制作中表現出生命的循環新生。個性化手工書籍的制作者首先會在材質上力求環保，在內容上體現“輪回”的概念，同時引導學生在制作創意上避免與傳統書籍發生雷同，更追求書籍意境化和藝術性的表現方式。其中，書籍制作的紙張新舊、糙滑以及薄厚等都需要提前考慮，并通過最原始的手工方式制作，懷著崇敬的心情完成整本書籍的制作儀式。

施加在轉軸上的標準載荷F的分解關系如圖4所示。

施加的標準載荷F通過下列公式分解：

式中：F為施加的標準載荷，kg；F1、F2為F在平行、垂直大艙門方向上的分量，kg；α1為艙門的開度，°；α2為施力方向與水平方向的夾角，°；α為F2與施力方向的夾角，°。

對大艙門而言，僅垂直大艙門分量F2產生鉸鏈力矩，標準鉸鏈力矩載荷為：

式中：L為參考力臂，大小艙門間的轉軸到作動器軸線的距離（0.6m），m。

4.2.3 鉸鏈力矩測量誤差的計算

計算測得的鉸鏈力矩的誤差［10－12］：

單點加載的測量誤差如表2所示，所有轉軸處同時施加不同載荷時的測量誤差如表3所示。為了簡化表格，表中僅給出所加的力（kg），力矩按公式（12）～（13）計算得出，且表3給出的是總的載荷（kg）。

從表2和3可以看出：無論是單點加載還是多點同時加載，隨著艙門開度和所加載荷的增大，測量誤差減少，符合傳感器或天平等儀器的測量規律。小載荷誤差偏大的主要原因：一方面，由于使用的是實物模型，各連接部分存在間隙；另一方面，在誤差計算式標準載荷采用為所加載荷的標準力矩，而不是滿量程的標準力矩。

5 風洞試驗結果

試驗過程中在不同馬赫數均進行了固定艙門開度和艙門動態開閉試驗，試驗結果表明：在不同的試驗狀態下，艙門開度越大，鉸鏈力矩的測量結果越接近預測值（計算結果），滿足了型號測量要求。圖5給出Ma＝0.85時各種試驗狀態的鉸鏈力矩的測量結果。

表2 單點加載時鉸鏈力矩測量誤差（%）Table 2 Measurement error（%）of hinge moment at single point calibration

表3 綜合加載時鉸鏈力矩測量誤差（%）Table 3 Measurement error（%）of hinge moment at multi－point calibration

圖5 鉸鏈力矩測量結果Fig.5 Measurement results of the hinge

6 結 論

（1）專用的模擬短梁和加載裝置，確保了校準狀態和試驗狀態的一致。模擬短梁確保在安裝艙門前后，力及力矩的作用點保持不變；加載裝置各滑輪滑輪組之間的距離與大艙門上的短梁之間的距離保持一致，確保了施加力及力矩方向的正確性；

（2）半橋工作模式滿足了鉸鏈力矩的測量要求；

（3）全尺寸內埋武器艙艙門鉸鏈力矩的校準方法及數據處理方法是完全可行的，實現了無天平參與的鉸鏈力矩測力試驗，為類似結構的測力試驗提供了新的思路。

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