立式風洞與立式風洞試驗

顏 巍 / YAN Wei

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

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立式風洞與立式風洞試驗

顏 巍 / YAN Wei

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

尾旋是飛機的一種非正常的復雜旋轉飛行狀態，飛機尾旋研究在航空工程中屬于比較冷門的專業。立式風洞是專門進行飛機尾旋研究等特種試驗的風洞設施，這種風洞在飛機研發過程中與常規風洞相比使用率較低。對立式風洞和立式風洞試驗進行簡要的回顧和闡述，為相關飛機型號設計單位進行立式風洞試驗、研究飛機尾旋特性與改出特性提供參考。

立式風洞；自由尾旋；旋轉天平

0 引言

風洞(Wind Tunnel)是一種產生人造氣流的管道，用于研究空氣流經物體所產生的氣動效應，主要應用于飛行器、導彈設計領域。按照不同的類型可以將風洞進行區分。按照氣流速度可將風洞分為亞音速風洞、跨音速風洞、超音速風洞。按照風洞試驗的內容可將風洞分為常規風洞和特種風洞，常規風洞一般進行測力、測壓等常規試驗、以及一部分非常規試驗，如大迎角試驗、動導數試驗等；特種風洞是專門進行特種試驗的風洞，如進行飛機尾旋研究的立式風洞、進行飛機噪聲研究的聲學風洞、進行飛機結冰研究的結冰風洞、進行飛機高雷諾數條件下試驗的低溫風洞等[1]。

1 立式風洞

立式風洞是進行飛機尾旋特性和改出特性研究試驗、旋轉天平試驗和其它一些特種試驗的平臺。自20世紀30年代開始，世界上主要航空大國均陸續建設了立式風洞來進行相關的科學研究試驗。目前，世界上可使用的立式風洞并不多，表1展示了主要立式風洞的概況，可以看出世界上大多數立式風洞使用環形回流形式，其次是單回流式。圖1展示了環形回流立式風洞和單回流立式風洞在結構上的差異，圖2展示了美國和俄羅斯各自的立式風洞，這兩座立式風洞除了在結構上有著本質的差異外，在試驗手段上也完全不同。蘭利立式風洞的試驗段為閉口試驗段，T-105試驗段為開口試驗段。蘭利立式風洞通過埋在風洞洞體內的通電環形銅線所發出的強大磁場將飛機模型約束在試驗段的中心，即飛機模型與風洞洞體無任何接觸，處于完全自由懸浮狀態，而T-105立式風洞通過在飛機模型的背部和腹部的掛鎖以及柔線與洞體上部和下部相連，結合試驗段的“中部凹陷-四周環形凸起”的碟形流場，將模型約束在試驗段中心。在尾旋改出試驗中，蘭利立式風洞通過分布在洞體四周的捕獲網將模型捕獲，T-105立式風洞通過人力拉住柔線來防止飛機模型飛出試驗段。通過比較可以看出，蘭利立式風洞比T-105立式風洞在設備上以及試驗手段上要先進，比如：由于T-105立式風洞試驗模型采用吊掛方式，在模型改出尾旋的一瞬間，由于柔線的拉力和飛機模型的運動方向相反，飛機模型的背部和腹部的掛鎖部位承受巨大的載荷，根據估算大約有近5g的過載，這樣飛機模型上的某些關鍵部位(特別是中機身)不得不進行強度加強，這樣重量就會增加，這就與尾旋模型設計的思路相違背，增加了模型設計的難度[2-3]。

表1 世界上立式風洞列表

圖1 環形回流尾旋風洞與單回流尾旋風洞的比較

圖2 立式風洞

2 立式風洞試驗

2.1 尾旋特性與改出特性試驗

在立式風洞中所進行的試驗中，最主要的是飛機模型的尾旋試驗與改出試驗，主要目的是從宏觀上判定飛機在失速后發生尾旋的可能性、飛機在螺旋運動中尾旋的模態以及飛機自身是否有改出尾旋的能力，此外還可以進行反尾旋傘選型試驗。圖3展示了美國NASA蘭利立式風洞和俄羅斯TsAGI T-105立式風洞中所進行的一些飛機型號的尾旋試驗和反尾旋傘試驗。試驗前預設飛機模型的升降舵和方向舵偏度，為了迫使飛機進入尾旋，一般升降舵和方向舵均預設到滿偏偏度。開啟風洞后，由投手按照預設角度將飛機模型準確地投入到試驗段中心，待飛機模型穩定旋轉后開始進行測量記錄，穩定旋轉5圈以上，可以通過無線電操控飛機舵面進行反尾旋偏轉，迫使飛機模型改出尾旋。此外，還可以在模型內部預裝反尾旋傘，打傘后觀測反尾旋傘迫使飛機改出尾旋的效果，對不同規格的反尾旋傘進行選型。

圖3 模型進行尾旋特性與改出特性試驗

飛機模型在立式風洞試驗段中的運動軌跡和運動姿態需要有合適的測量設備記錄下來，以便進行相關的分析。早期的試驗使用人工判讀測量系統，即使用高速攝影機將飛機運動以膠片的形式連續拍攝下來，用投影儀將膠片投影到屏幕上與一個縮比后的解碼模型進行對比，人工判讀出模型的空間姿態，這種方法獲得的結果比較粗糙，處理過程費時費力，除了TsAGI的T-105立式風洞外，其它立式風洞已摒棄此方法。由于人工判讀方法的弊端，科研人員開發了全視場尾旋測量系統，該系統采用基于圖像采集與處理的雙目圖像測量技術，其基本原理是基于光學中心的面投影方程。所有內部方位參數和外部方位參數通過相機(含鏡頭)校準而確定，這些參數確定后，目標在2D圖像平面的坐標和3D物理空間的坐標的關系得以確定。系統采用4臺攝像機，分成A、B兩組，每組2臺形成雙目立體視覺。任一目標點在一組攝像機成像后，可解出目標的空間坐標，再根據其解算模型的各種運動參數。這種方法被世界上許多立式風洞所采用，不足之處是試驗前的空間位置標定和模型標記點定位比較費時間。隨著科技的進步，傳統的、粗笨的機械式陀螺儀逐漸被微型機電式(MEMS)陀螺儀所取代，這種微型陀螺儀體積小、質量輕、信號可無線傳輸，可將其放置于飛機尾旋模型的內部，最典型的是MTI-28A53G25型姿態航向參考系統。這個系統包括了三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁強計和溫度傳感器等，可以直接測量出飛機模型運動時，機體軸系下x、y、z三個方向上的加速度值，繞x、y、z三個軸的旋轉角速度，俯仰角、偏航角和滾轉角等。

圖4 尾旋模型進行質心、質量和慣量調試

在飛機模型進行立式風洞尾旋試驗之前，需要進行不同構型、不同狀態條件下，模型的質量、質心和慣量等參數的調試，此項工作的周期較長，對于一期立式風洞試驗，試驗前一般都需要將近一個月時間進行相關參數調試。簡易的調試設備如圖4所示。但是使用這些設備進行慣量調試均忽略了空氣阻尼力矩的影響，從原理上講這樣做是有缺陷的，這樣直接導致了振動周期T的測量誤差。美國的NASA與俄羅斯的TsAGI均有相關的真空罐來進行飛機立式風洞試驗模型慣量的調試，圖4e)展示了俄羅斯圖波列夫設計局設計的，將要在T-105立式風洞中進行尾旋試驗研究的Tu-334客機模型在TsAGI的真空罐(Φ3m×9m)內進行慣量的調試[3-4]。

2.2 旋轉天平試驗

旋轉天平試驗是用來測量模型繞速度軸穩態旋轉中所受的氣動力(即旋轉流數據，旋轉流動給飛機產生一個附加的力和力矩)，為研究飛機大迎角旋轉氣動特性，求解六自由度運動方程，預測飛機穩態尾旋平衡點及其特性，為飛機失速尾旋的發展及改出的時間歷程計算提供氣動力基礎數據。圖5展示了一些飛機在立式風洞中進行旋轉天平試驗。通過旋轉天平試驗可以準確地獲得飛機尾旋過程與改出過程中的氣動力與氣動力系數，準確而定量地預測當飛機在氣動力與慣性力平衡、氣動力力矩與慣性力力矩平衡條件下的穩定尾旋時的迎角、側滑角等。試驗時，模型內部的天平所測量的力和力矩包括三個部分，旋轉流引起的氣動力和氣動力矩，重力引起的力和力矩，旋轉所產生的慣性力和力矩。為了獲得單純的氣動力和氣動力矩，需要首先扣除重力的影響。然后在無風的狀態下，通過旋轉和測量獲得慣性力和慣性力矩，為了消除空氣阻尼的影響，旋轉機構需要進行正、反轉試驗。最后，將有風時旋轉天平測得的力和力矩減去無風時旋轉天平測得的力和力矩，獲得總的純氣動力和純氣動力矩。此外，旋轉天平試驗模型設計相對尾旋模型設計較為容易，主要是由于在慣量上沒有苛刻的設計要求。

圖5 不同飛機模型進行旋轉天平試驗

2.3 其它試驗

在進行飛機模型尾旋試驗和旋轉天平試驗之外，世界各國的立式風洞也根據各自情況發展和應用了一些其它的特種試驗技術。如在立式風洞中進行模擬真人跳傘試驗，如圖6a)所示。TsAGI的T-105立式風洞可以進行直升機旋翼的氣動力研究和飛艇的氣動力研究，圖6b)展示了卡莫夫-50直升機的共軸反轉旋翼的氣動力影響試驗，圖6c)展示了飛艇的氣動力研究試驗。NASA蘭利立式風洞可以進行模擬宇宙飛船返回艙開減速傘的研究試驗，如圖6d)所示[3-4]。

圖6 立式風洞中進行的其它試驗

3 結論

簡要回顧了不同國家所使用的不同形式的立式風洞和在立式風洞中進行的相關特種試驗，主要包括尾旋試驗、旋轉天平試驗等，為相關飛機型號設計單位進行立式風洞試驗、研究飛機尾旋特性與改出特性提供了參考。

[1] 范潔川，等.世界風洞[M].南京：南京出版社，1992.

[2] 祝明紅，等.Φ5m立式風洞尾旋試驗技術[J].實驗流體力學，2007,21(3):49-53.

[3] 俄羅斯中央流體力學研究院T-105立式風洞簡介，http://www.tsagi.ru/en/ .

[4] 美國NASA蘭利Φ6.1m立式風洞簡介，http://www.nasa.gov/ .

Vertical Wind Tunnel and Vertical Wind Tunnel Experiments

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Aircraft spin is a very complex rotational flight state, aircraft spin research is relatively less focused. Vertical wind tunnel is the specific wind tunnel facility for aircraft spin research, this kind of wind tunnel is less been used compare with normal wind tunnel. This paper presents the review and discussion of vertical wind tunnel and vertical wind tunnel experiments.

vertical wind tunnel; free-spin; rotary balance

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.03.012

V211.74

A