旋轉天平試驗預彎接頭干擾研究

張永升，劉丹，黃浩，陸偉，張秋實，王乾威

(中國航天空氣動力技術研究院 第二研究所，北京 100074)

0 引 言

尾旋是飛機最復雜的飛行狀態之一，它以超過失速迎角、較大的側滑角、顯著的滾轉角速度及偏航角速度為主要特征。飛機一邊滾轉，一邊偏航，在地心引力的作用下沿著半徑很小的螺旋線下落，嚴重危及飛行安全。因此，無論是軍用飛機還是民用飛機的研制，都要求飛機不易進入尾旋或進入尾旋后能比較容易改出。然而預測飛機尾旋是一項十分復雜的工作，因為它不僅涉及與繞飛機失速流動現象相關的空氣動力學，而且還與飛機當時的飛行姿態、運動特性與過程以及駕駛員的操縱特點等有關。大量的飛機設計和使用經驗表明：在飛機初步設計階段到原型機試飛的整個研究過程中，同時或交叉使用多種預測研究方法和手段，相互配合和補充，才有可能成功地預測給定飛機的失速/尾旋特性，其中通過旋轉天平試驗確定旋轉狀態下的氣動導數是極為關鍵的。國內在尾旋特性研究方面開展了大量研究工作，并建立發展了成熟的旋轉天平風洞試驗技術[1-4]。歐美等發達國家在旋轉天平風洞試驗技術領域處于領先地位，并開展了大量的應用研究[5-7]。

旋轉天平試驗提供的是旋轉的飛機模型在流場中受到的氣動力，它不僅可以用來直接預測穩態尾旋平衡點及其性質，而且可以對飛機從尾旋的進入、發展到改出的時間歷程計算提供較為準確的氣動力數據。在風洞中進行旋轉天平試驗的主要目的是測定飛機模型在不同迎角和側滑角下，以不同速率繞氣流坐標軸系的x軸作等速旋轉狀態下的氣動特性，為飛機尾旋特性的分析和預測提供必要的氣動系數。

國內目前投入使用的旋轉天平試驗裝置共有4套。沈禮敏[8]、孫海生等[9]在FL-12風洞中研制了旋轉天平試驗裝置，并開展了大量的型號試驗；范潔川[10]、楊恩霞等[11-12]開展了尾旋特性理論研究，并在FL-8風洞中建立了旋轉天平試驗裝置；馬軍等[13]在φ5 m立式風洞中建立了旋轉天平試驗裝置，擴展了立式風洞的試驗能力；黃浩等[14]在FD-09風洞中建立了旋轉天平試驗裝置，并投入型號試驗使用。

目前國內現有的旋轉天平試驗裝置均使用弧形彎軌的方式，為了獲得較大的迎角范圍，都采用了預彎接頭的設計。預彎接頭在增大迎角范圍方面起到了積極作用，但是存在如下弊端：在小迎角下，預彎接頭正好處于模型的尾流區內，預彎接頭對流場的擾動會向前傳遞，干擾模型的繞流，特別是飛機模型尾部的繞流，進而對模型的氣動力和氣動力矩產生一定干擾。

在旋轉天平試驗干擾研究方面，Gao Jianjun等[15]在FL-8風洞中開展了旋轉天平試驗支架干擾研究，主要研究了弧形彎軌和尾撐/背撐支桿的干擾特性。但是針對小迎角下預彎接頭的干擾特性研究國內外仍未見報道。

本文基于中國航天空氣動力技術研究院的FD-09低速風洞旋轉天平試驗系統[14]開展了預彎接頭干擾試驗研究，以分析小迎角下預彎接頭對模型氣動力和氣動力距的干擾特性，以期為飛機型號開展旋轉天平試驗提供參考。

1 試驗設備和模型

1.1 FD-09低速風洞

FD-09風洞是一座單回流閉口低速風洞，試驗段橫截面為四角圓化正方形，FD-09風洞的氣動布局如圖1所示。

圖1 FD-09風洞氣動布局圖Fig.1 The layout of FD-09 wind tunnel

FD-09風洞主要參數如下：

試驗段截面尺寸：3 m×3 m

試驗段長度：14 m

空風洞最大風速：100 m/s

試驗段平均湍流度：0.13%

試驗段軸向靜壓梯度：0

1.2 旋轉天平試驗系統

FD-09風洞旋轉天平試驗機構由支撐底座、主軸組件、弧形彎軌、配重、預彎接頭、支桿、滑塊、支撐板等部分組成，如圖2所示。旋轉天平試驗裝置在FD-09風洞試驗段內的阻塞度為4.1%。試驗裝置的運動原理為：主軸尾部的伺服電機通過減速機帶動主軸旋轉，主軸帶動彎軌做連續穩定勻速的旋轉，最終帶動模型實現錐形運動。

圖2 旋轉天平試驗機構Fig.2 Rotary balance testing facility

預彎接頭可以在彎軌上滑動來改變支桿俯仰角(間隔2°)，支桿可以繞自身軸線轉動來改變支桿滾轉角(無極變化)，兩者合理組合即可獲得所需的模型迎角和側滑角。預彎接頭分為16°預彎接頭和28°預彎接頭兩種，以滿足不同試驗的需求。模型支撐方式有尾撐、背撐和腹撐三種。旋轉機構的靜平衡通過調整配重位置來實現，共有多套不同質量的配重可用。

天平信號經滑環引出，通過信號放大與濾波，再由NI數據采集器采集數據。試驗中每個轉速穩定后采集7個周期的數據，每個周期采集360個點，選擇中間5個周期的數據取平均值。

FD-09低速風洞旋轉天平試驗系統的主要性能指標如下：

轉速范圍：0～300 rpm

迎角范圍：-148°～148°

側滑角范圍：-58°～58°

1.3 SDM標模

本文使用的飛機標模是動態標準模型(Standard Dynamic Model，簡稱SDM)。FD-09風洞SDM標模為1∶1的標模，其殼體由碳纖維材料制成，內襯金屬骨架，既可保證模型有足夠的剛度和強度，又能保證模型有較小的質量和轉動慣量。SDM標模質量約10 kg，其幾何參數如下：機身長1.049 m，展長b=0.678 m，平均氣動弦長cA=0.255 8 m，力矩參考點距頭部0.613 m。

SDM標模外形如圖3所示。

(a) 俯視圖

(b) 側視圖

(c) 前視圖圖3 SDM標模Fig.3 Standard dynamics model

2 試驗方法

根據旋轉天平試驗原理及試驗機構設計特點，設計使天平中心、模型力矩參考點以及旋轉軸線三者重合在弧形彎軌圓弧的圓心處。當預彎接頭(如圖2所示)在弧形彎軌上滑動改變模型俯仰角時，模型一直處于弧形彎軌圓弧的圓心處，則弧形彎軌的中間孔位區域一直處于模型的尾流區內。而在小迎角范圍內，預彎接頭正好安裝在弧形彎軌的中間孔位區域，即小迎角下預彎接頭正好處于模型的尾流區內。

在小迎角范圍內，以俯仰角θ=10°為例，預彎接頭(預偏16°)安裝于俯仰角“θ”對應的弧形彎軌孔位，則預彎接頭正好處于模型的尾流區內，如圖4(a)所示。為了研究預彎接頭的干擾影響，需將預彎接頭移出模型尾流區。

采用的研究方法為：將預彎接頭安裝到對稱的負角度并翻轉模型。

具體方法如下：將預彎接頭安裝于俯仰角“θ”對稱的負角度，即“-θ”對應的弧形彎軌孔位，再將模型繞天平軸線旋轉180°翻轉安裝，則模型的姿態保持不變，只是預彎接頭移到模型尾流區外，如圖4(b)所示。

(a) 預彎接頭在尾流區內

(b) 預彎接頭在尾流區外圖4 預彎接頭及模型安裝方式Fig.4 The installation mode of pre-bending support joint and model

通過上述安裝方式可以在不更換接頭的情況下實現預彎接頭在模型尾流區內/外兩種狀態，方法簡便，也便于比較。

3 試驗過程與結果

基于FD-09風洞旋轉天平試驗系統，采用SDM標模和16°預彎接頭，研究迎角分別為0°和10°姿態下預彎接頭的干擾特性。由于預彎接頭為預偏16°，在迎角分別為0°和10°下，預彎接頭都處于模型的尾流區內，說明本文研究內容具有代表性。

風洞試驗主要通過上述研究方法來開展對比試驗，獲得預彎接頭在尾流區內/外兩種狀態下SDM模型的氣動特性數據，以分析小迎角下預彎接頭的干擾特性。預彎接頭干擾特性曲線如圖5～圖6所示，橫坐標為無量綱旋轉參數λ=ωb/2v，縱坐標為模型體軸系六分量氣動力系數和氣動力矩系數。

預彎接頭對縱向氣動特性的干擾曲線如圖5所示。

(a) CA隨λ的變化曲線

(b) CN隨λ的變化曲線

(c) Cm隨λ的變化曲線圖5 預彎接頭對縱向氣動特性的干擾Fig.5 The interference of pre-bending support joint on longitudinal aerodynamic characteristic

從圖5可以看出：(1)小迎角下，預彎接頭在模型尾流區內對SDM標模縱向三個分量氣動特性曲線都有干擾。(2)迎角為0°時，預彎接頭對軸向力系數CA和法向力系數CN的干擾較小，但是對俯仰力矩系數Cm的干擾比較明顯。(3)迎角為10°狀態與迎角為0°狀態的干擾特性類似，預彎接頭對Cm的干擾要比對CA和CN的干擾更加明顯。迎角10°時，預彎接頭對縱向三個分量氣動特性曲線都有比較明顯的干擾，并且迎角10°時預彎接頭引起的氣動干擾量要明顯大于迎角0°的狀態。(4)從干擾特性來看，預彎接頭的干擾導致CA減小，CN和Cm增大。這主要是因為預彎接頭在模型尾流區內，其體積效應的干擾會增大模型尾部尾流區壓力，使模型的壓差阻力減小，導致CA減小。同理，由于模型尾部尾流區壓力增大，會對模型產生一個抬頭力矩，導致Cm增大。(5)預彎接頭的干擾主要是引起縱向氣動特性曲線的平移，對氣動特性曲線的斜率幾乎沒有影響，即對旋轉導數幾乎沒有影響。

預彎接頭對橫航向氣動特性的干擾曲線如圖6所示。

(a) CY隨λ的變化曲線

(b) Cn隨λ的變化曲線

(c) Cl隨λ的變化曲線圖6 預彎接頭對橫航向氣動特性的干擾Fig.6 The interference of pre-bending support joint on lateral-directional aerodynamic characteristic

從圖6可以看出：(1) 小迎角下，預彎接頭在模型尾流區內對SDM標模橫航向三個分量氣動特性曲線都有干擾。(2) 預彎接頭對滾轉力矩系數Cl的干擾比較小，但是對側向力系數CY和偏航力矩系數Cn有比較明顯的干擾。(3) 迎角10°時預彎接頭引起的氣動干擾量要明顯大于迎角0°的狀態。(4) 從干擾特性來看，預彎接頭的干擾主要是引起橫航向氣動特性曲線的平移，對氣動特性曲線的斜率幾乎沒有影響，即對旋轉導數幾乎沒有影響。

綜上所述，(1) 小迎角下，預彎接頭在尾流區內對SDM標模縱向和橫航向氣動特性曲線都有干擾。(2) 迎角10°時預彎接頭引起的氣動干擾量要明顯大于迎角0°的狀態。(3) 預彎接頭的干擾主要是引起縱向和橫航向氣動特性曲線的平移，對氣動特性曲線的斜率幾乎沒有影響，即對旋轉導數幾乎沒有影響。

4 結 論

(1) 在小迎角下，預彎接頭正好處于模型的尾流區內，對模型縱向和橫航向氣動特性曲線都有干擾；并且不同迎角下預彎接頭引起的氣動干擾量有明顯不同；預彎接頭的干擾主要是引起氣動特性曲線的平移，對旋轉導數幾乎沒有影響。

(2) 本文提出的將預彎接頭安裝到對稱的負角度并翻轉模型的干擾修正方法非常簡便，在不更換接頭的情況下可實現預彎接頭在模型尾流區內/外兩種狀態，可以為旋轉天平試驗開展預彎接頭干擾修正研究提供一種方便快捷的試驗方法。