風洞旋轉軸天平信號處理系統設計

毛世鵬,王 萍,李盛文,周志堅,姚順禹,李 聰

(1.航空工業空氣動力研究院，哈爾濱 150001; 2.低速高雷諾數航空科技重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引言

采用渦輪螺旋槳發動機的飛機具有起飛著陸距離短、巡航時間長等特點，在運輸機、通用飛機、支線客機等機種上有著廣泛的應用。螺旋槳會對飛機產生較大的動力影響，如果不能確定產生的影響量，螺旋槳滑流會在很大程度上降低飛機的氣動效率；但如果可以對不利影響進行分析并給與消除，螺旋槳滑流則可以大大地提高飛機的氣動效率[1]。

以往螺旋槳滑流風洞試驗都是采用特制大功率伺服電機作為螺旋槳驅動裝置[2]，但是隨著功率、扭矩的要求越來越高，目前已無法滿足動力模擬的需求。而渦輪空氣馬達是一種由高壓氣驅使軸體轉動，帶動螺旋槳旋轉的一種裝置，具有體積小、功率大等優點，同體積下功率是電機的5～10倍，用于風洞試驗中能夠獲得更準確的試驗結果[3]。

旋轉軸天平是為在風洞模擬螺旋槳滑流試驗中準確測量氣動力、從而更精確的獲得螺旋槳滑流影響而設計[4]。其他常規天平只能測量飛機總體受到的氣動力影響，不能準確反映出螺旋槳的滑流影響。而旋轉軸天平直接與螺旋槳相連并高速同步旋轉，將信號數據計算后得到天平軸系下的載荷，再經過軸系轉換就能夠得到螺旋槳六分量載荷，可以準確獲得螺旋槳滑流的影響量[5]。

1 試驗原理及系統結構

1.1 旋轉軸天平試驗原理

旋轉軸天平隨螺旋槳旋轉，需要高速滑環來傳輸信號并為其供電，長距離傳輸還容易受到電磁干擾和信號衰減的影響[6]；輸出的動態信號也需要確定每個數據點的角位置，保證數據與相位信息一一對應，這對采集同步性有著較高的要求，不同采集卡通道間不能有超過2微秒的相位差[7]；國內風洞試驗靜態數據連續測量技術已經很成熟了，但是還沒有動態數據連續測量的經驗，需要研究與其他靜態數據同步連續測量的試驗方法。不同于其他常規天平，信號采集、處理的方法都更加復雜，因而需要研制一套高精度、高可靠性的信號處理系統，來保證獲取準確的旋轉軸天平數據[8]。

圖1 螺旋槳、旋轉軸天平示意圖

風洞滑流試驗中使用旋轉軸天平測量螺旋槳的氣動力，固定在渦輪空氣馬達主軸上，直接螺旋槳相連并高速同步旋轉[9]。旋轉軸天平一般按照六分量天平設計，采用有限元方法計算螺旋槳旋轉軸天平在六分量設計載荷下的位移及角度變化[10]，提取螺旋槳旋轉軸天平體上關鍵位置處的動、靜態應力值，得到該關鍵位置處各分量載荷的監測計算系數，用于在風洞試驗時進行螺旋槳旋轉軸天平的載荷實時監控[11]，保護螺旋槳旋轉軸天平使用過程中不發生不可逆的過載損壞。

圖2 旋轉軸天平結構與有限元分析示意圖

試驗中，需要將旋轉軸系下的天平信號轉換成固定軸系下的螺旋槳氣動力[12]。首先將螺旋槳旋轉軸天平在旋轉過程中采集到的信號數據計算得到天平軸系下的載荷，再經過軸系轉換，轉換角度為數據采集時刻的天平軸系與短艙軸系的角度[13]，把天平載荷轉換到短艙固定軸系上，得到短艙軸系下的螺旋槳六分量載荷，同時需要扣除螺旋槳的重力影響量。

1.2 系統結構

螺旋槳旋轉軸天平信號處理系統由直流穩壓電源、高速滑環、信號調理設備、PXI動態數據采集系統、角位置采集器、控制主機和在線校準裝置等幾部分組成。系統原理框圖如圖3所示。

圖3 系統結構框圖

旋轉軸天平供電由直流穩壓電源通過滑環來提供，天平輸出的小信號容易受到電磁干擾和長距離傳輸衰減的影響，就近接入信號調理設備放大傳輸，接入PXI動態數據采集系統，采集的數據利用推導信號處理方法計算成氣動力數據[14]。為了補償滑環通道阻值在高速旋轉時的變化，將天平電壓也進行采集，用于消除供電誤差。采集系統由角位置脈沖觸發控制，角位置脈沖由控制系統產生[15]。

2 系統設計

2.1 信號處理

將旋轉軸天平與螺旋槳固聯，在螺旋槳以ω角速度旋轉時，天平感受重力G、慣性力A、螺旋槳的6分力(YXZMyMxMz)，其中：O-XYZ為機體軸，O-XY’Z’為天平軸。

考慮到在低轉速下(30轉以下)，慣性力幾乎可以忽略。在無風時進行一周的低轉速天平數據采集，和試驗數據進行對應位置的處理，可以得到沒有重力的天平輸出數據，其公式如下：

(1)

Y天平=Y螺旋槳cos(ωt+φ)+Z螺旋槳sin(ωt+φ)+AY

(2)

Z天平=Z螺旋槳cos(ωt+φ)-Y螺旋槳sin(ωt+φ)+Ax

(3)

My天平=My螺旋槳cos(ωt+φ)+

Mz螺旋槳sin(ωt+φ)+AY

(4)

Mz天平=Mz螺旋槳cos(ωt+φ)-

My螺旋槳sin(ωt+φ)+Ax

(5)

式中，ω為天平旋轉速度，t為轉動時間，φ為采集滯后相移角，AY、Ax為慣性力在天平軸Y,Z方向的投影。從公式中可以看出，只要求出相移角，就可以求出作用在旋轉軸天平上的氣動力。我們可以選取一個角度將測量裝置和天平固聯，傳感器每轉一周輸出一個完整的正弦波，其輸出零位和天平的零位完全相同，此時測量的波形滿足:

S=Asin(ωt+φ)

(6)

式中,S為采集系統測量的角度傳感器輸出值，A為傳感器輸出波形的幅值。

采用積分處理可得：

(7)

(8)

(9)

2.2 高速滑環

試驗時，滑環旋轉端隨著渦輪空氣馬達軸和旋轉軸天平一起高速旋轉。滑環在設備中起到電信號傳輸作用，外部電源通過滑環為旋轉軸天平供電，同時滑環將旋轉軸天平及槳葉應變信號傳輸到采集設備。試驗轉速較高，轉動過程中，可能造成通道接觸電阻增大，需要滑環接觸電阻變化較小，并將校準電壓信號通過滑環接入采集設備，以便于對傳輸損失進行補償。

表1 滑環基本參數

2.3 高精度采集

實際在風洞試驗過程中，對于旋轉軸天平、轉速、振動等電信號的同步有著嚴格的要求，需要和轉速對應的位置/相位信息一一對應，因而對整個采集系統不同板卡的采集同步性有著較高的要求。考慮到同步與觸發的原則，采用背板參考時鐘方案，所有模塊均采用CLK10及CLK100進行時鐘同步，以同步觸發總線進行內部觸發啟動，使整個系統在信號采集中所有數據的時間嚴格對應，保證了采集系統同步和觸發的一致性[17]。

旋轉軸天平的數據采集精度要優于0.02%，還要具有較高的采樣率和數據傳輸帶寬來保證動態數據的采集。系統選用了基于PXI總線的測試設備，采集精度可以滿足需求，具有高達200 K的采樣率，可以保證數據的完整性。采用了PXI的背板時鐘，以同步觸發總線進行內部采集觸發啟動，保證了采集的同步性[18]。

利用Labview編寫了數據采集程序，該軟件能夠與風洞試驗主控程序實時通訊，收發數據信息和操作指令，同時控制PXI設備進行信號的采集和預處理[19]。

圖4 采集軟件示意圖

還編制了試驗主控軟件，可以進行采集參數的設置，讀取天平原始數據文件，可以按照公式和算法進行計算修正，來獲得氣動分析人員期望的數據結果，試驗最終結果按照要求存入服務器中[20]。軟件具體功能如圖5所示。

圖5 系統軟件功能示意圖

該系統軟件界面可視化程度高，參數的修改直觀簡單，通過多次試驗的使用驗證，滿足數據采集的使用需求。

2.4 角位置采集

角位置采集裝置由編碼器信號轉換器、旋轉編碼器和相關軟件構成，其核心部件是編碼器信號轉換器。

旋轉編碼器信號轉換器，是一種將增量式旋轉編碼器輸出信號，轉換成對應的軸角正弦值，再以模擬電壓的形式輸出的設備。具體實現方法是利用CPLD及高性能處理器接收并處理增量式旋轉編碼器輸出信號，計算脈沖數并轉換為相應軸角，再計算出正弦值，最后用高精度數/模轉換器件(即DAC)轉換成模擬電壓輸出。轉換器由脈沖信號接收器件、主處理器、數/模轉換器件、基準電平器件、電源處理模塊幾部分組成。

圖6 編碼器信號轉換器結構圖

編碼器信號轉換器能夠處理的編碼器最高轉速為25 000轉/分，脈沖計數誤差不超過±2個/周，輸出±10 V，輸出電平誤差不超過±2毫伏。輸入A、B、Z相脈沖輸入，A、B兩相脈沖相位差為90度，編碼器正轉時A相在前，反轉時B相在前，轉換器能自動識別編碼器的線數和轉動方向，并能進行錯誤識別輸出。

2.5 信號調理

旋轉軸天平輸出的信號只有幾個毫伏，需要經過滑環長距離傳輸，容易受到電磁干擾和信號衰減的影響。這里采用天平信號就近接入前端信號調理設備，放大為伏級信號的傳輸方法。使用低噪聲放大器對幅度很小、頻率不超過150 Hz的小信號進行預處理，為了避免數字信號處理時出現頻譜混疊，還要進一步對模擬信號進行抗混疊濾波，并通過功率放大器實現小信號放大。

2.6 同步觸發

因為機構高速轉動，不同的采集卡需要同步觸發，通道間不能有超過2微秒的相位差。這里采用等位置觸發采集，保證采集周期的完整性。螺旋槳在高速旋轉時，控制轉速和實際轉速會存在一定的誤差。此時如采用定時采集，就不能保證做到整周期采集，影響試驗結果的準度。采用等位置觸發采集，從根本上解決了這個問題，避免了由此造成的積分誤差。采集設備中采用了PXI的背板時鐘，以同步觸發總線進行內部采集觸發啟動，保證了采集的同步性。

2.7 動態數據連續采集

國內風洞試驗靜態數據連續測量技術已經很成熟了，但是還沒有動態數據連續測量的經驗。在測試過定時觸發等多種方法后，結果都不甚理想，最終選用了移動窗體觀察法。具體方法為天平轉動一周，間隔100 ms設立一個觀察窗，每隔0.8 s進行一次采集，窗內大約有500個數據點，經過三階巴特沃斯濾波后，平均為一個數據點進行存儲，這樣得到的數據更加線性，重復性較好。與法國F1風洞的試驗數據對比，處理后的結果一致，證明了該方法的準確性。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗步驟和方法

為了驗證螺旋槳旋轉軸天平的信號處理方法，以及帶動力試驗時選擇螺旋槳的槳葉角等參數，首先需要進行單槳試驗，作為全機帶動力試驗前的預備性風洞試驗，獲取正式試驗時螺旋槳的轉速、試驗風速、槳葉角及螺旋槳效率等數據。

圖7 風洞螺旋槳滑流單槳試驗圖

在驗證了信號處理方法滿足試驗要求后，利用單槳試驗獲得的螺旋槳相關數據，組織開展全模試驗，用來獲取螺旋槳滑流影響量數據[21]。

與國外風洞使用相同模型獲得的數據進行對比，驗證結果的準確性。

3.2 試驗數據結果

本項目在中國航空工業空氣動力研究院FL-9低速增壓風洞首先進行了基于旋轉軸天平的滑流單槳試驗，采集旋轉軸天平動態數據，利用數據處理方法對原始數據進行處理，經過處理后的數據曲線更加平滑有序，便于對結果的分析。將天平載荷轉換到短艙固定軸系上，得到短艙軸系下的螺旋槳六分量載荷，用來分析滑流影響量[22]。

單槳試驗后進行了XX渦槳飛機全模帶動力試驗，試驗系統可以對旋轉軸天平的信號進行調理、采集和處理，系統功能滿足設計指標。

試驗過程中該系統可以實現旋轉軸天平動態信號與其他試驗信號同步連續采集，不同采集卡可以同步觸發，天平信號未發現明顯的衰減或干擾。將試驗結果與相同模型在F1風洞獲得的數據進行對比分析。

3.3 結果分析

圖9是FL-9風洞和法國F1風洞相同模型滑流試驗的數據對比，可以看出結果十分一致。經過支架干擾修正、質量流量修正、洞壁干擾修正后，可以準確的得到模型受到的螺旋槳滑流影響量[23]，標志著此次研制的旋轉軸天平信號處理系統試驗能力滿足設計指標和滑流試驗的技術要求。

圖9 不同風洞試驗數據對比圖

4 結束語

螺旋槳滑流風洞試驗是驗證渦槳飛機氣動力設計的一項非常重要的特種試驗，是準確獲得螺旋槳滑流對飛機氣動布局和操穩性能影響的最主要手段。旋轉軸天平信號處理系統的成功研制，大大提高了試驗結果的準確性，為后續螺旋槳滑流試驗提供了有力的技術保障。

1)通過新系統的地面調試和在型號試驗中的成功應用，標志著旋轉軸天平信號處理系統的研制項目取得了圓滿成功，系統操作方便，運行穩定可靠，維護簡便，還兼具了一定的功能擴展性。

2)新系統達到了預期實現的技術指標。采集精度可以達到0.02%，采樣率200 k；進行了前端信號調理，避免了信號衰減和受到干擾；通過時鐘背板觸發啟動采集，保證了與其他信號的采集同步性。

3)新系統開發了動態數據連續測量技術，提升了試驗效率，試驗效率是普通階梯測量的4倍，節約了高壓氣的使用量，降低了風洞試驗成本。

本系統的成功研制，將有效的縮短我國與國外先進風洞在試驗水平上的差距，填補了在該項技術上的空白。目前世界上只有法國F1風洞具備同等的試驗能力，標志著我國螺旋槳動力模擬試驗技術達到了國際先進水平。試驗系統提高了螺旋槳滑流試驗數據的可靠性，為我國渦槳飛機的研制提供有效的試驗驗證手段。同時本項目研制的試驗設備也可作為螺旋槳性能測試和渦槳飛機噪聲測量的測試平臺，為高效率、低噪聲的先進螺旋槳設計和渦槳飛機氣動噪聲設計提供技術支持。