基于外置電橋修正法的大展弦比機翼片式鉸鏈力矩天平應用技術研究

賈 巍, 劉維亮, 趙忠良, 苗 磊, 謝 斌, 米 鵬, 楊洪勝, 王樹民, 陳 竹

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

基于外置電橋修正法的大展弦比機翼片式鉸鏈力矩天平應用技術研究

賈 巍*, 劉維亮, 趙忠良, 苗 磊, 謝 斌, 米 鵬, 楊洪勝, 王樹民, 陳 竹

(中國空氣動力研究與發展中心, 四川 綿陽 621000)

傳統的大展弦比機翼片式鉸鏈力矩天平在應用過程中存在測量精準度不高的問題。該問題由機翼受載變形引發的附加干擾信號產生。針對此現象，為提高大展弦比飛機操縱舵面鉸鏈力矩風洞試驗數據的精度與準度，探索了一種“利用一組信號修正天平信號”的外置電橋修正法，詳細闡述了其工作原理以及方法步驟。以某型號風洞試驗為例，通過在機翼上布置外置電橋，將修正后測量結果與未修正的測量結果進行對比。由對比結果可知：未經信號修正的天平測量誤差最高達到54%，將信號修正后其測量誤差降低為6%，天平測量準度有所提高。本研究為大展弦比飛機操縱舵面鉸鏈力矩天平的應用提供新思路。

片式鉸鏈力矩天平；大展弦比；外置電橋修正法；機翼變形；干擾信號

0 引 言

隨著國家對民機、軍機以及無人機發展的重視，大展弦比飛機風洞試驗任務不斷增加，對風洞試驗數據精度與準度的要求也越來越高[1-2]。從實際情況看，這類風洞試驗模型有著大展弦比、機翼與操縱舵面長而薄、氣動載荷大的共同特點，其突出問題是難以確保消除安裝在機翼上的片式鉸鏈力矩天平的附加非測量信號。該問題是由機翼受載變形導致天平非測量連接端變形造成，直接影響著風洞試驗數據的精準度[3]。

長期以來，探索大展弦比飛機機翼的變形對片式鉸鏈力矩天平測量精、準度的影響問題，在國內外的天平領域一直未能得到滿意的解決，尚不能滿足設計單位的技術需求[3]。這也是制約大展弦比飛機操縱舵面鉸鏈力矩試驗技術發展的“瓶頸”問題，必須發展相應的試驗技術。

目前，國內外關于“機翼受載變形引發天平附加非測量信號”問題的主要研究方向有2個：一是半模試驗技術、放大模型縮比，但該方法不能滿足模型在側滑姿態下的試驗條件；二是全模局部加厚，但此方法模型整體的縮放比例不一，即改變了模型外形，導致氣動特性復雜化，難以對風洞試驗數據進行合理修正[4]。因此，采用上述2種方式來提高機翼以及連接接口剛度在實際的鉸鏈力矩風洞試驗中均無法解決“接口變形引起附加干擾信號”這一根本性問題。而作者首次提出的外置電橋修正法作為一種新型的信號修正方法與前人相比能夠在模擬大展弦比飛機翼面形狀的前提下，最大限度地減小機翼變形對片式鉸鏈力矩天平測量準度的影響。如何正確運用外置電橋信號來修正天平輸出信號是本次研究工作的關鍵技術環節。為此，開展了基于外置電橋修正法的片式鉸鏈力矩天平應用技術研究工作，其結果已經成功應用于型號試驗中。

1 外置電橋修正法

所謂“外置電橋修正方法”，就是利用引入的外來電橋信號來修正天平電橋信號，這是一種立足于大展弦比飛機模型鉸鏈力矩風洞試驗的新型信號修正方法。提出該修正方法的原因在于該類飛機機翼及連接接口剛度不夠對天平輸出信號存在影響，外置電橋位于大展弦比飛機模型機翼的特殊位置，它對片式鉸鏈力矩天平各分量的測量起補充修正作用。

1.1 基本構成

這種信號修正方法包括3個基本要素：一是飛機模型，二是片式鉸鏈力矩天平，三是外置電橋測量元件。具體如圖1所示。

在以上3個基本要素中，后兩者是關鍵構成要素，在整個信號修正過程中起著決定作用：主信號是片式鉸鏈力矩天平各分量的電橋信號，次要信號是外置電橋的電橋信號。主信號是鉸鏈力矩風洞試驗所需的信號，但機翼變形現象的出現，卻將一組降低風洞試驗精準度的干擾信號摻雜到其中，因此，必須經過外置電橋的次要信號采用數學方法對其進行修正。3個關鍵因素相輔相成，構成了片式鉸鏈力矩天平外置電橋信號修正方法。

1.2 工作原理

外置電橋修正法的工作原理是：通過“安裝”在機翼上的外置電橋，與原有天平重新構成一臺“新”的復合天平；利用機翼電橋的輸出信號來修正天平各個測量元件的輸出信號，將修正后的信號作為天平信號進行相關試驗參數計算。

1.3 關鍵技術點分析

(1) 大展弦比飛機機翼受氣動載荷作用沿展向各個截面的變形不一致，外置電橋測量元件的結構、位置的確定是關鍵，需模擬機翼、外置電橋測量元件一體化受載的工況，通過進行有限元分析計算獲得。確定其具體位置有2個基本原則：一是外置電橋測量元件受載后的變形應盡可能地接近片式天平固定端連接區域的變形；二是外置電橋測量元件受載后的電信號輸出與片式天平受載情況下的主信號輸出有相關性。 (2) 外置電橋作為變形接口與鉸鏈力矩天平的“聯系手段”，找出外置電橋輸出信號與鉸鏈力矩天平輸出信號二者合理關系是關鍵。經過綜合分析后，采用模擬機翼受力狀態靜態校準的方式[5]，通過電橋合成擬合出一套適用于“新”的復合天平的信號輸出公式。為驗證該技術方案的可行性，確保試驗數據的準確可靠，需要對“新”的復合天平加載，進行校準數據處理方法的驗證。

(3)在機翼位置布置外置電橋，必須考慮應變計所需空間，因此需在機翼上采取開槽等手段，這與風洞試驗中嚴格模擬模型外形的基本要求相矛盾。為了實現對模型外形的真實模擬，可以在開槽位置通過設計專用的模型蓋板的手段解決。這樣既完成了對外置電橋的保護，又實現了對試驗模型的精確模擬。

2 方法步驟

2.1 單個片式鉸鏈力矩天平的校準[6]

首先進行單個片式鉸鏈力矩天平的校準。校準方法同傳統的片式鉸鏈力矩天平校準方法一樣，采用體軸系校準。對天平各個分量施加標準載荷，通過校準設備，調整校準支桿及加載裝置，保證施加的載荷方向始終與天平體軸系一致，根據不同載荷狀態下天平各測量元的輸出擬合出片式天平工作公式。

2.2 復合天平電橋信號的校準修正

片式天平固連在模型機翼上，將從與天平固定端連接處至翼尖的機翼部分視為一區域，在該區域的壓心位置施加標準載荷，對應片式天平在有、無受力2種狀態下外置電橋的2種信號輸出，分別求得片式天平與外置電橋對片式天平配重的交叉項干擾系數以及外置電橋對片式天平的彎矩系數[5]。根據以上2個系數擬合得到外置電橋與片式天平各測量分量信號輸出之間的信號修正公式：

2.3 信號修正公式的驗證

將通過2.2節的修正公式獲得的測量元輸出信號，代入2.1節擬合的片式天平工作公式中參與迭代計算。改變模型、天平承受的標準載荷，將2組信號代入公式，重復上述步驟，驗證修正公式及天平工作公式的準確度。

3 設計與應用實例

某型號鉸鏈力矩風洞試驗在FL-26跨超聲速風洞中進行。試驗模型具有大展弦比飛機的結構特點：翼展長2.3m，安裝天平位置厚7.6mm，機翼沿展向各個截面的變形不一致，越靠近機身的部分剛度較強，遠離機身部分的剛度越來越弱[7]。

3.1 問題分析

該片式鉸鏈力矩天平與模型操縱舵面采用一體化設計[8](如圖2所示)，片式鉸鏈力矩天平的固定端與大展弦比模型機翼通過面面接觸的方式，采用螺栓將二者固連。作為天平固定端，需具備足夠剛性，但機翼的厚度決定了天平連接端的整體剛度系數不大，見圖3中的A-A截面，連接部分的厚度與天平固定連接端的厚度相當。因此，該大展弦比飛機的翼型結構特點決定了“在風洞試驗中，其機翼在受載后引起接口變形會直接傳遞給天平測量元件產生干擾”的必然性。實踐證明，干擾信號對片式天平受載后產生的主信號是極為不利的，它降低了天平的測量精準度，見表1。從表中可以看出，機翼及連接接口變形對天平測量結果的影響有時甚至高達50%以上，該誤差的量級在風洞試驗中是絕對不被允許的。

某型號鉸鏈力矩天平法向力Y/%鉸鏈力矩Mj/%滾轉力矩Mx/%正升力方向10kg202518正升力方向20kg144854負升力方向10kg73130負升力方向20kg135144

3.2 解決措施

為解決連接接口的設計難題，該天平采用了“馬蹄鐵”型面接觸的連接方式，在確保安裝定位準確的前提下，減小連接接觸面，周邊用螺釘連接，減小裝配連接應力傳遞到天平元件上[9]。同時，為修正機翼變形以及天平固定連接部分整體剛度系數不足所帶來的干擾信號，在機翼上天平固定連接端附近位置布置外置電橋測量元件，如圖4所示，通過粘貼電阻應變計的方式形成惠斯頓全橋測量電路[6]。嚴格按照前文所述的加載方式，通過模擬機翼變形的狀態，找出機翼變形、外置電橋信號以及鉸鏈力矩天平信號三者的關系，完成整個信號修正過程。

3.3 信號修正結果

將上文提到的某型號片式鉸鏈力矩天平測量結果采用外置電橋修正法進行信號修正，其加載值和誤差得到大幅改善，見表2。將表1和2進行綜合對比，可以看出，采用外置電橋修正法后，該片式鉸鏈力矩天平的測量精準度得到了大幅提升。

表2 修正后的某型號鉸鏈力矩天平加載值和不確定度Table 2 Loading loads and uncertainty for corrected results of the model’s hinge moment balance

3.4 風洞試驗效果

某型號鉸鏈力矩試驗于中國空氣動力研究與發展中心FL-26 風洞進行, 在完成了天平、 模型在全模試驗段中的安裝和調試后, 在機翼上對天平進行加載檢驗，確認天平狀態正常，加載精準度滿足試驗要求后，再進入風洞進行試驗準備。風洞試驗前，這些天平在舵面上多個點多次加載,準度均在0.5%內。在試驗過程中，參試天平經多次安裝，無明顯溫度效應，順利地完成了風洞試驗。試驗M=0. 3，0.4，0.7， 0. 75，0. 8， 0. 85。下面以某些狀態模型為例,將不同馬赫數數據進行對比, 其結果見圖4～8。從圖中的試驗曲線規律來看, 試驗數據規律良好，該試驗數據得到了型號單位的認同。

4 結 論

為了克服傳統的片式鉸鏈力矩天平測量技術遇到的困難，作者探索了一種名為“外置電橋修正法”的信號修正方法，考慮到新方法在實施過程中遇到的若干技術關鍵問題，提出了具體的解決方法，并將這一方法成功運用到型號設計中，其修正結果說明外置電橋修正法在技術上是可行的。

修正后的加載結果表明，這種新型的信號修正方法可以有效修正機翼受載引起的天平接口變形對天平輸出信號的影響，提高片式天平實際工作過程中的精度和準度，取得了令人滿意的效果。現階段該信號修正方法在本部已得到首次嘗試，從長期效果考慮，這種新型的信號修正方法引起了研究人員對現階段片式天平的更多思考，為今后模型與天平的一體化設計和數據修正開辟了新的技術途徑。

在下一步的工作中，“多組不同形式的外置電橋共同完成信號修正”的工作將逐步開展，該方法還將被進一步總結和完善。

作者相信隨著進一步開展更加細致的研究，外置電橋修正法能夠作為一項適用的技術在今后鉸鏈力矩風洞試驗的氣動力測量中發揮更大作用。

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(編輯：張巧蕓)

Study on technology of using flaky hinge moment balance for high-aspect-ratio wings based on external electric bridge correction method

Jia Wei*, Liu Weiliang, Zhao Zhongliang, Miao Lei, Xie Bin, Mi Peng, Yang Hongsheng, Wang Shumin, Chen Zhu

(China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

In application, the precision and accuracy of the traditional flaky hinge moment balance for the high-aspect-ratio wings are not high enough. The problem is caused by the additional interference signal resulted from the aerofoil transformation. Aiming at enhancing the hinge moment wind tunnel test data’s precision and accuracy for the high-aspect-ratio plane, the External Electric Bridge Correction Method (EEBCM) is explored. It is a new type of signal correction method using a set of signals to correct other signals, and its operational principle, steps and workflow are expounded in detail. Taking a wind tunnel test as an example: the external bridge is arranged on the wing, and the measurement results are compared with those without correction. The comparison shows that without the signal correction the balance measurement error is up to 54%, after the signal correction the measurement error is reduced to 6%, and the balance measurement accuracy has been improved. The present study provides a new idea for the application of the hinge moment balance to the high aspect ratio wings.

flaky hinge moment balance;high-aspect-ratio;external electric bridge correction method;aerofoil transformation;interference signal

1672-9897(2017)04-0059-05

10.11729/syltlx20160107

2016-06-29;

2016-12-15

JiaW,LiuWL,ZhaoZL,etal.Studyontechnologyofusingflakyhingemomentbalanceforhigh-aspect-ratiowingsbasedonexternalelectricbridgecorrectionmethod.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 59-63. 賈 巍, 劉維亮, 趙忠良, 等. 基于外置電橋修正法的大展弦比機翼片式鉸鏈力矩天平應用技術研究. 實驗流體力學, 2017, 31(4): 59-63.

V211.72

A

賈 巍(1985-)，女，吉林白城人，工程師。研究方向：風洞應變天平研制與應用。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發展中心(621000)。E-mail: 43660704@qq.com

*通信作者 E-mail: 43660704@qq.com