單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平研制

王樹民，潘華燁，王 超，馬 濤

（中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000）

單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平研制

王樹民＊，潘華燁，王 超，馬 濤

（中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000）

受大展弦比試驗模型和天平結構條件限制，在高速風洞中采用傳統結構的片式鉸鏈力矩天平難以實現對操縱舵氣動力的精確測量，其主要原因是傳統片式鉸鏈力矩天平無阻力測量單元，無法測量阻力，使得阻力對鉸鏈力矩測量的干擾無法修正，同時傳統結構的片式鉸鏈力矩天平在試驗中受機翼變形影響較大，影響試驗數據精準度。針對這一問題，在中國空氣動力研究與發展中心高速所開展了單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平結構設計研究，并成功應用于某飛機模型舵面鉸鏈力矩測力試驗。校準數據以及試驗結果表明，該天平能夠有效測量阻力，基本消除了機翼變形對測量的影響，同時還可以減小附加力矩，增加天平載荷匹配性，有效提高試驗數據質量。

鉸鏈力矩；風洞天平；展弦比；阻力

0 引 言

飛行器都有各種操縱面，如方向舵、升降舵、副翼、襟翼、擾流板等。這些操縱面可圍繞轉軸轉動，以改變其偏轉角，從而改變作用在飛行器上的氣動力的大小和作用點，實現不同狀態的飛行。操縱面鉸鏈力矩試驗是飛機氣動設計階段主要的風洞試驗項目之一，其目的在于測定飛行器各操縱面的氣動力和相對于轉軸的鉸鏈力矩的大小，為選擇或者設計操縱裝置合適的助力器以及設計舵面形狀提供依據［1－3］。隨著大展弦比無人機等飛行器研制技術的高速發展，對風洞鉸鏈力矩測力試驗技術的要求越來越高［4－5］。

無人機的機翼面積大，機身短，展弦比一般大于10，這就使得縮比后的試驗模型機翼特別薄，通常翼尖位置的厚度不足1cm［6］，受模型空間和天平結構條件限制，該類模型鉸鏈力矩試驗采用傳統類型片式天平，需要面臨安裝難度高、機翼變形大、天平輸出不匹配等問題，數據質量較差，已不能滿足以無人機為代表的先進飛行器對鉸鏈力矩高精準度測力的需要。所以，大展弦比操縱面片式鉸鏈力矩天平的測量性能是影響該類模型操縱面鉸鏈力矩測量精準度的一個重要因素。

傳統片式鉸鏈力矩天平主要使用無阻力的簡單結構，精準度較低，而且無法對結果進行阻力修正，在操縱面偏角較大時，有無阻力修正將會對操縱面鉸鏈力矩試驗結果產生3%以上的影響［7－8］。另外，對于超薄翼型操縱面，天平安裝空間受限嚴重，難以做到無干涉固定，連接和裝配應力會降低天平測量的精準度［910］；而且試驗中操縱面在氣動載荷作用下變形較大，嚴重影響數據質量［11］。為此，本文研制出一種適用于大展弦比模型操縱舵鉸鏈力矩測量的單固支帶阻力元片式天平。天平采用單固支片式結構布局，即天平與模型的連接端設置在天平中央，天平兩懸臂端連接測量舵，縮減了天平所需弦向空間，增加了機翼剛度，解決了試驗中機翼擾度大對天平測量存在干擾的問題，同時該天平可測量阻力，提高了天平的測量精準度。

1 天平研制難點分析

所研制的天平主要用于測量某無人機副翼的鉸鏈力矩氣動載荷，圖1給出了典型的大展弦比模型示意圖，特點如下：（1）安定面和控制舵厚度小、無法使用桿式鉸鏈力矩天平測量其氣動載荷；（2）舵面受力面積大，載荷大，舵面轉軸位于控制舵內，試驗中舵面需繞轉軸變換舵偏角；（3）機翼薄而長，試驗中受載后變形大。因此，該類模型鉸鏈力矩測量天平研制有如下關鍵技術難點：

圖1 大展弦比模型示意圖Fig.1 Large aspect ratio model

（1）傳統片式天平存在無法測量阻力的缺陷，與先進飛行器對鉸鏈力矩高精準度測量要求相矛盾。長期以來，高速風洞片式鉸鏈力矩天平均采用無阻力測量結構，忽略天平阻力測量后，阻力對法向力以及鉸鏈力矩的干擾無法得到準確的修正，對舵面法向力、鉸鏈力矩以及壓心位置的準確測量有較大影響，因此要提高測量的可靠性和準確性，需要在設計中增加阻力測量結構。

（2）天平各測量分量靈敏度難以匹配。傳統片式鉸鏈力矩天平受結構限制，所受載荷極不匹配，通常只能滿足鉸鏈力矩測量要求，而法向力和滾轉力矩輸出較小，分辨率低。此外，傳統天平一端固定于機翼，中間是測量元件，另一端連接測量舵，天平元件的幾何中心到舵面轉軸的距離較遠，一般幾倍于舵面壓心到舵面轉軸的距離，使得舵面氣動載荷對天平產生的附加力矩遠大于舵面相對于舵面轉軸的鉸鏈力矩，增大了測量誤差。所以在保證天平具有足夠靈敏度的前提下，還要盡可能使天平幾何中心靠近舵面轉軸，以減小附加力矩的干擾。

（3）天平的支撐剛度弱且連接應力對測量的影響難以消除。傳統片式天平的固定端和自由端尺寸受結構限制，其厚度與測量元件接近，剛度相對不足，造成元件在不同連接剛度或不同耦合位置下變形不一致，而且天平校準狀態與實際試驗狀態也難以一致，導致片式天平測量精準度偏低；此外，片式天平安裝固定通常采用螺釘連接，而且連接位置距離天平測量梁較近，天平初讀數在受載或裝配力改變后會發生變化，同樣會降低天平測量的精準度。

（4）試驗中機翼變形對片式天平測量的影響大。由于大展弦比模型翼展長、翼面薄，在氣動載荷作用下，機翼會產生明顯的彈性變形，引起天平與模型安定面的連接接口變形，從而導致安裝在機翼上的傳統片式天平產生額外應變輸出，較大影響天平測量結果的準確性。

2 天平設計

針對傳統片式鉸鏈力矩天平結構設計中的關鍵問題，通過計算機模擬分析和試驗驗證，設計出了滿足要求的片式天平，如圖2所示，其具有如下特點：

圖2 單固支鉸鏈力矩天平Fig.2 Single－fixed hinge moment balance

（1）橫置式單固支結構設計

采用橫置式單固支結構設計方案，天平布置為沿機翼展向方向，與傳統天平相比，該方案中天平和舵面的連接部分與天平元件幾何中心基本處于同一弦向位置上，最大限度地縮短了舵面轉軸與天平中心的距離，有效減小了天平的附加力矩，增加了天平載荷的匹配性。同時，該結構減小了模型（機翼）支撐處的切削量，使得天平支撐剛度大大提高。圖3和4分別給出了單固支鉸鏈力矩天平和傳統片式鉸鏈力矩天平安裝方案圖。

圖3 單固支鉸鏈力矩天平安裝示意圖Fig.3 Installation sketch of the singlefixed hinge moment balance

圖4 傳統片式天平安裝示意圖Fig.4 Installation sketch of the normal sheet hinge moment balance

（2）帶阻力元測量元件設計

鉸鏈力矩天平設計中改變了傳統天平結構，使用對稱布局的兩柱矩形梁結構，通過柱梁的雙彎曲變形來完成對法向力、鉸鏈力矩、滾轉力矩以及軸向力4個分量的測量，不用單獨設置軸向力測量元件，天平結構簡單、緊湊，靈敏度匹配合理，受載應變輸出均勻，很好地解決了載荷難以匹配的問題。因為是柱梁結構作為測量元件，也避免了傳統片式天平難以克服天平各測量單元輸出差距大，靈敏度難以匹配以及翹曲和連接應力問題。通過有限元模擬計算分析，天平靈敏度設計合理，受載應變輸出均勻，整體剛度好。

（3）單固支片式天平的安裝布局

天平采用單固支整體安裝布局方式，天平中部設計安裝連接段與支撐模型（機翼安定面）連接，左右2懸臂端與被測模型（舵面）連接，測量敏感元件設計在連接段兩側，由于測量元件相對于固定端為懸臂端，機翼受載變形時，對測量元件的影響很小，圖5給出了固定機翼根部，在翼尖端施加4000N的升力時機翼的變形情況，圖6給出了單固支天平受機翼變形影響的應變分析圖，圖7給出了傳統片式天平受機翼變形影響的應變分析圖。從圖中可看出，單固支天平在機翼受載變形情況下，產生的應變很小，可以忽略不計，而傳統片式天平受機翼變形影響很大，必須對機翼變形進行修正后才能使用。表1給出了某傳統片式鉸鏈力矩天平在機翼受載情況下對天平測量準度的影響，以及通過外置電橋方法修正后的加載誤差。

圖5 機翼變形示意圖Fig.5 Sketch of the wing flexibility

圖6 單固支天平受機翼變形影響應變分析圖Fig.6 Strain analysis of the single－fixed hinge moment balance under wing flexibility influence

圖7 傳統片式天平受機翼變形影響應變分析圖Fig.7 Strain analysis of the typical three－components hinge moment balance under wing flexibility influence

表1 外置電橋修正對天平加載測值結果影響Table 1 Influence of the balance calibration results by external bridge amend

（4）組合式測量電橋設計

應變計粘貼位置以及天平橋路設計如圖8所示，粘貼應變計全部選用中航電測公司生產的ZF300－2AA－W（11）－X型常溫應變計進行粘貼。測量電橋采用了組合式電橋測量方式，分別由M 1＋M 2－M 3－M 4、M 1＋M 3－M 2－M 4、M 1＋M 2＋M 3＋M 4組合成對Y、Mj和Mx的測量，X元由單獨電橋測量，這樣組合電橋測量的優點在于：（1）減小了螺釘等安裝應力對測量元件的影響。由于該天平的連接方式為螺釘連接，螺釘壓緊的位置距離天平測量元件較近，每個螺釘的預緊力對元件產生的內應力不同，用4個電橋組合的方式可以較好地平衡各測量元件的內應力，使天平在校準和加載的過程中各元的回零和線性較好；（2）M 1、M 2、M 3、M 4這4個電橋均采用單獨供電，組合電橋的測量方式可以提高整個電橋的總輸出，有利于提高天平的測量精準度；（3）該組橋方式中，每個橋路相對集中，所以電橋4個橋臂溫度更為接近，能夠有效減小試驗中溫度梯度對測量的影響，提高天平測量的可靠性和準確性。

圖8 應變計粘貼接線圖Fig.8 Schematic drawing of strain gauge connection

3 天平靜態校準

單固支片式鉸鏈力矩天平在BCL3500準體軸系校準架上使用專用加載裝置完成了靜態校準，天平X元采用單橋測量，供橋電壓為10V，Y、Mj和Mx元通過M 1、M 2、M 3、M 4組合電橋測量，供橋電壓為6V。

校準中，在機翼上設置了外置電橋，便于進一步考察試驗中機翼變形對天平測量的影響，校準結束后，將天平連接至機翼模型進行了舵面加載檢驗，以驗證天平校準公式的準確性。天平設計載荷參數和靜校結果如表2所示，其中，設計載荷是根據測量舵面最大計算載荷加上最大可能誤差給出，平均應變是通過有限元計算得到的在施加最大設計載荷時天平上相關應變計位置處的應變平均值，實際最大輸出是在施加天平設計載荷時，組合電橋輸出與零載荷時的輸出差值。機翼加載誤差是對于加載真值的相對誤差，用于檢驗天平、天平計算公式以及整套測量系統的綜合誤差。機翼變形對測量的影響是指在機翼翼尖施加500N法向力情況下，機翼變形對各測量分量的影響占各相應分量設計載荷的比例。

表2 天平設計載荷參數和靜校結果Table 2 Design parameters and static calibration results of the balance

從靜態校準結果可以看出，天平各單元的輸出較為理想，天平綜合校準的精準度也優于大部分傳統三分量片式天平。將天平安裝于機翼時，天平加載結果滿足測量要求。更為重要的是，從機翼變形對測量的影響看，該結構形式的天平受機翼變形影響很小，可以忽略而不必進行修正。該校準結果與有限元的分析結果吻合較好。

4 風洞試驗

圖9 試驗中天平與模型安裝示意圖Fig.9 Sketch of the balance and model installation in test

圖10 天平重復性試驗結果Fig.10 Repeatability results of balance test

在FL－24風洞半模試驗段中進行了某無人機機翼鉸鏈力矩高速風洞測力試驗，試驗馬赫數為0.4～0.65，模型迎角為－4°～12°，副翼舵偏角為0°～20°，圖9為天平與模型安裝示意圖。試驗中天平性能穩定，試驗數據合理，重復性良好，鉸鏈力矩測值可信、合理。圖10為試驗中0°舵偏角、Ma＝0.4和0.6時鉸鏈力矩系數的重復性，其中曲線1和2為Ma＝0.4時的重復性數據，曲線3和4為Ma＝0.6時的重復性數據，圖11為試驗中Ma＝0.6時，鉸鏈力矩系數隨舵偏角的變化規律曲線，完全符合預期。

圖11 鉸鏈力矩特性Fig.11 Hinge moment characteristics

5 結 論

研制了一種新型單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平，通過靜態校準和風洞試驗數據分析，得到以下結論：

（1）新型天平的研制滿足試驗要求。不僅可以有效測量軸向力，而且具有結構合理、靈敏度高、性能穩定、精準度高等優點。

（2）與傳統片式天平相比，新天平結構緊湊，減小了天平的附加力矩，與模型的連接方式更加穩固可靠，采用的組合電橋方案有效地提高了天平的輸出信號，使得天平靈敏度的匹配更加容易。

（3）克服了大展弦比模型試驗中機翼變形對天平測量影響的難題，能有效提升試驗數據質量，可以推廣用于其它鉸鏈力矩試驗。

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Development of a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement

Wang Shumin＊，Pan Huaye，Wang Chao，Ma Tao
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Restricted by the condition of the test model and the wind tunnel balance structure，it＇s hard to measure the aerodynamic loads of the control flap accurately by using the normal sheet hinge moment balance.The main reason is there is no axial force measurement on the typical hinge moment balance，and therefore the interference due to the axial force can’t be avoided.Moreover，The data quality of the balance measurement is depressed seriously due to the wing flexibility.To solve this problem，we put efforts to optimize the balance structure at the High Speed Aerodynamic Institution of CARDC.We designed a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement，which has been used in a certain airplane model hinge moment test successfully.The results of the balance calibration and the test data show that this balance can measure the axial force effectively，almost eliminate the influence of the wing flexibility，and increase the matching characteristic of the forces by decreasing additional moment.Using this type of hinge moment balance can increase the quality of the test data efficiently.

hinge moment；wind tunnel balance；aspect ratio；axial force

V211.752；TH715.1＋12

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0086－05

10.11729／syltlx20160003

2016－01－25；

2016－07－21

＊通信作者E－mail：460385002＠qq.com

Wang S M，Pan H Y，Wang C，et al.Development of a single－fixed sheet hinge moment balance with axial force measurement.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：86－90.王樹民，潘華燁，王 超，等.單固支帶阻力元片式鉸鏈力矩天平研制.實驗流體力學，2016，30（6）：86－90.

王樹民（1968－），女，山東平原人，高級實驗師。研究方向：風洞應變天平研制與應用。通信地址；四川綿陽北川縣永安鎮101信箱206室。E－mail：460385002＠qq.com