帶操縱面的垂尾跨音速顫振模型設計

張婷婷

中國商飛上海飛機設計研究院強度設計研究部

帶操縱面的垂尾跨音速顫振模型設計

張婷婷

中國商飛上海飛機設計研究院強度設計研究部

以某型飛機垂尾為研究對象，設計了帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗模型，并通過地面振動試驗對其進行驗證。研究表明，模型可以準確模擬垂尾剛度，方向舵旋轉剛度穩定，模型取得了較好的試驗效果。

飛機操縱面由于其結構本身和操縱的復雜性，以及氣動力不易準確獲得等特點，氣動彈性問題更加突出一些，跨音速模型風洞試驗目前是顫振試飛前驗證飛機跨音速顫振特性的唯一途徑。因此，研究操縱面參與的顫振問題時，需要考慮帶操縱面的跨音速顫振模型設計。

某型飛機的垂尾亞音速顫振分析表明，臨界顫振型為方向舵旋轉與垂尾一彎、二彎耦合的爆發型顫振。為研究其在跨音速區的顫振特性，本文設計了一套帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗模型，并通過地面振動試驗對模型的合理性進行了驗證。

模型設計

跨音速顫振模型結構需要滿足一定的剛度和強度要求，并且具有合適的結構重量占比，方便配重。金屬結構剛度容易控制，便于連接，但是重量較重，復合材料結構則具有比強度、比剛度高及可設計性強等重要優點，本文綜合使用了金屬材料和復合材料，設計了“空心金屬梁+復合材料維形”的梁架式結構（圖1），由空心金屬梁提供主要剛度，蒙皮、泡沫等復合材料維形結構提供部分剛度，并模擬垂尾外形，具有較高的結構效率，模型無超重，且滿足剛度、強度要求。

圖1　模型安定面結構示意圖

帶方向舵的垂尾模型的設計難點在于方向舵的連接，在重量受控的前提下，不僅要準確模擬方向舵的旋轉剛度，還要保證連接件具有足夠的強度。本文設計的模型用3個板彈簧連接方向舵，3個金屬連接件一端固定在安定面的金屬梁上，另一端通過3個板彈簧連接方向舵梁，旋轉剛度由板彈簧提供。除模擬基準旋轉頻率的一組板彈簧外，還設計了另外三組板彈簧，用以模擬方向舵旋轉頻率變參。方向舵連接形式示意圖見圖2。

模型地面振動試驗

模型加工完成后進行了地面振動試驗，目的是驗證模型對于理論設計結構動力學特性的符合性。試驗照片見圖4。模型的各階模態頻率的理論結算值與試驗值偏差見表1，均在±5%以內，滿足工程誤差的要求。試驗結果表明，模型的動力學特性與理論設計要求值基本符合。

表1　B模型的模態頻率

測試方向舵旋轉頻率時，逐步加大激振力，測試旋轉頻率是否穩定，圖4為四組板彈簧方向舵旋轉頻率隨激振力變化示意圖（其中，等效旋轉頻率=方向舵測試頻率/基準旋轉頻率，），結果表明，四組彈簧片的方向舵旋轉頻率隨激振力變化一直保持穩定，連接結構無間隙，有效模擬了設計旋轉剛度。

結語

本文設計了帶方向舵的垂尾跨音速顫振風洞試驗模型，重點研究了方向舵的連接形式，并通過地面振動試驗對其進行了驗證。試驗結果表明：使用3個板彈簧連接方向舵，能有效克服模型間隙，方向舵旋轉頻率穩定，獲得了較好的試驗效果，在以后的跨音速顫振模型中可以繼續考慮使用板彈簧這種操縱面連接形式。

圖2　模型方向舵連接件示意圖

圖3　模型地面振動試驗

圖4　方向舵旋轉頻率隨激振力變化示意圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.003