某大型雷達天線車的風洞試驗

嚴曉

（航天南湖電子信息技術股份有限公司，湖北 荊州 434000）

風洞試驗作為傳動系統、天線、座車等總體的力學分析及驅動電機功率計算及型號選擇的試驗依據，為理論計算校核以及設計建造提供技術支撐。

1 試驗模型

某大型天線車主要由天線陣面、反射網、天線、主塔、轉臺及天線座車等組成，結合風洞吹風試驗的具體要求。模型縮尺比λ=1:12。模型加工制作大部分構件由銅、鋁等金屬材料制作。細小部件(如線纜等)相對于整體所占比例甚微，對氣動力載荷測試結果影響很小，因此作合理簡化或省略。天線裹冰狀態是通過在天線陣面模型噴涂漆料近似模擬的（平均約 2mm 厚）。天線車組成及參數見圖1。

圖1 天線車組成及參數

2 主要設備和儀器儀表

2.1 大型低速風洞

大型低速風洞為閉口單回流式低速風洞，試驗段長 8.5m，橫截面為高、寬均3m的八角形，試驗風速3～93m/s連續可調。

2.2 天平

試驗采用盒式六分力應變天平，測量模型阻力、升力、側向力、橫滾力矩、偏轉力矩和俯仰力矩。

2.3 數據采集系統

數據采集系統由專用 PC 及多通道動態數據采集單元組成， 動態數據采集單元可自動進行信號調節，對每一通道配有獨立的高速 A/D 數據轉換器，由專用PC對測試信號進行數據采集及分析處理。

2.4 其他

（1）風速管：用于風速監測。

（2）浮子式光學微壓計：用于試驗風速的控制和監測。

（3）溫濕度及大氣壓傳感器：用于測量風洞試驗段風溫、濕度及大氣壓力。

（4）光學經緯儀：用于風洞模型安裝檢測。

3 試驗內容

本次試驗的主要內容是測量以下工況下天線與座車整體風阻力，天線陣面風力矩系數，并預報最大工作和最大生存風速下的實體風載。

（1）無冰狀態，座車風向角 0°，天線面風向角0°～180°，間隔 15°。

（2）無冰狀態，座車風向角 90°，天線面風向角0°～180°，間隔 15°。

（3）裹冰狀態，座車風向角 0°，天線面風向角0°～180°，間隔 15°。

（4）裹冰狀態，座車風向角 90°，天線面風向角0°～180°，間隔 15°。

4 試驗方法

在風洞試驗段中搭建木制平臺以模擬地面，模型位于平臺中間的小轉盤上，單獨天線陣面測力時將天線陣面模型安裝在應變天平的桿接頭上，使天線陣面回轉中心與天平轉角機構中心線重合，風向角相應變化，座車位置通過小轉盤轉動而改變；天線與座車整體測力時將天線陣面模型安裝在座車轉臺上，再將座車通過聯接件與應變天平連接，天線陣面風向角按預先刻好的等分角度變化。選取不受洞壁影響的適當位置安裝風速管并使其與模型互不影響；用于參考風壓測量以及試驗風速監控。正式試驗前先進行試吹風，同時考察試驗設備與模型安全情況以及測試數據有效性，最終選取試驗風速20m/s。

各工況下吹風試驗時，待吹風速度穩定后，試驗時固定吹風速度，由天平測力系統測量模型所受風載荷，該系統由計算機控制并自動采集。

5 數據處理和表達

最終提供的天線陣面六分量風載荷力、力矩系數；以及天線與座車整體的六分量風載荷力、力矩系數，采用以下無因次量來表達：

X為阻力；Y為升力；Z為側向力；Cx為阻力系數；Cy為升力系數；Cz為側向力系數；Cm為橫滾力矩系數；Cmy為偏力矩系數；Cmz為俯仰力矩系數；Mx為橫滾力矩；My為偏轉力矩；Mz為俯仰力矩；ρ為空氣密度(本文取1.225kg/m3)；V為對應參考風速，m/s；S為特征面積(本文統一取模型 0.22m2，對應實物32m2)；L為特征長度(本文統一取模型0.416m，對應實物 5m)。

6 試驗結果

6.1 試驗結果說明

試驗結果以無因次系數表達有無裹冰情況、座車不同位置時天線陣面各風向下的風載荷系數；座車不同位置時天線陣面各風向角下的天線與座車整體風載荷系數。

6.2 實體風載預報

由于本次試驗是在幾何相似、運動相似和動力相似的條件下進行的，繼續增加試驗風速（即流動雷諾數）天線車風載荷系數基本不變，根據類似模型試驗經驗，按照實體天線的特征參數及以上試驗獲得的風載荷無因次系數，可由上列公式預報實體天線陣面、天線與座車整體處于各種風向和風速下的風載荷。

7 結果分析

（1）由測試結果可得到天線陣面、天線與座車整體各工況所受最大風載荷。

（2）通過對單獨天線陣面的風載荷系數比較分析來看，與其結構相對應，天線陣面所受風阻力與俯仰力矩極值發生在正迎風與背迎風風向，在風向角ψ＝0°和180°出現極值。

（3）由測試結果看到該型天線車，座車位置的變化對天線陣面所受風載荷略有影響，在座車車側迎風狀態下發生的天線陣面風載荷極值更大些；就風阻力、俯仰力矩極值而言，約2%左右的影響。

（4）裹冰使得該型天線車所受風載荷增加，對風阻力、俯仰力矩極值有8%左右的增加量，相比座車位置的影響要大一些。

（5）天線與座車整體所受的風載荷均隨天線陣面風向角變化呈周期性變化，與單獨天線陣面風載荷系數曲線類似，風載荷系數曲線在360°周期內以類似余弦或正弦曲線形狀變化，這與整體外形（結構布局）特征相吻合。相比座車車頭迎風，座車左側迎風使得整體風阻有一定的增大，天線陣面正迎風時系統整體有較大的側向力和橫滾力矩。

8 結語

本試驗獲得了單獨天線陣面、天線與座車整體的風載荷分布規律，根據風載系數，預報獲得了實體在最大工作風速 25m/s 以及最大生存風速 30m/s 下的風載荷，試驗結果可作為轉軸強度和驅動功率理論計算的校核依據，還可為確定安裝在露天環境的軍用設備承受颶風襲擊的能力提供技術參考，為其結構設計和安全錨定措施的選取提供技術依據。

[1]GJB150.21A-2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法第21部分：風壓試驗[S].中華人民共和國國家軍用標準.

[2]程厚梅等. 風洞實驗干擾與修正. 國防工業出版社. 2003.1.

[3]朱鐘淦，葉尚輝 天線結構設計. 國防工業出版社.1986.9