連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞中帶真實(shí)舵機(jī)的舵面顫振試驗(yàn)

韓江旭, 劉南, 史曉鳴, 郭晉, 王松, 于賢鵬

1.北京航空航天大學(xué), 北京 100191; 2.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院, 遼寧 沈陽(yáng) 110034；3.上海機(jī)電工程研究所, 上海 201109

顫振是一種具有破壞性的氣動(dòng)彈性動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，飛行器強(qiáng)度規(guī)范中對(duì)顫振特性提出了明確的規(guī)定[1]，要求飛行器在整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)留有至少15%的速度裕量，以及最低0.03的阻尼裕量。風(fēng)洞試驗(yàn)是研究飛行器顫振特性的重要方法和手段[2-3]。但是，“十三五”以前國(guó)內(nèi)高速風(fēng)洞均為暫沖式，該類型風(fēng)洞存在吹風(fēng)時(shí)間短、沖擊載荷大、容易出現(xiàn)速壓超調(diào)等缺點(diǎn)[4-7]，并不十分適合開展顫振試驗(yàn)研究，在一定程度上制約了試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展。“十三五”期間，中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院建成了FL-61(0.6 m×0.6 m)和FL-62(2.4 m×2.4 m)2座連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞并投入使用，馬赫數(shù)范圍0.2～1.6，總壓范圍0.02～0.4 MPa，其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行能力和速壓范圍寬的特點(diǎn)非常適合開展顫振試驗(yàn)研究。但是，需要重點(diǎn)關(guān)注顫振試驗(yàn)安全防護(hù)，以防模型顫振破壞后碎片損傷風(fēng)洞壓縮機(jī)葉片。

本文在FL-61風(fēng)洞建立了連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)技術(shù)，并開展了根部固支和舵機(jī)支撐2種方式的舵面顫振試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殁伜辖鸸羌苣Ｐ停囼?yàn)支撐有2種形式-根部固支和舵機(jī)支撐(包括機(jī)械舵機(jī)和真實(shí)舵機(jī)，2種條件下舵軸和舵機(jī)連接形式一致,區(qū)別在于真實(shí)舵機(jī)增加了舵反饋控制 ), 并通過轉(zhuǎn)接件與風(fēng)洞轉(zhuǎn)窗連接，如圖1所示。模型在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2所示。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

通過地面振動(dòng)試驗(yàn)(ground vibration testing,GVT)獲取舵面模型在不同支撐條件下的模態(tài)信息，表1為模態(tài)頻率，圖3為真實(shí)舵機(jī)支撐條件下結(jié)構(gòu)振型測(cè)試結(jié)果，阻尼比為0.838%和0.478%。通過前期的數(shù)值分析，結(jié)果表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖澱裰饕怯汕皟呻A結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合導(dǎo)致的，另外由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃穸容^薄，所以避開前兩階結(jié)構(gòu)振型節(jié)線位置,在翼根靠近后緣處安裝了一個(gè)加速度計(jì)，用于測(cè)量試驗(yàn)過程中模型的振動(dòng)情況，基本能夠反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念澱裉匦浴?/p>

表1 舵面模態(tài)頻率

圖3 真實(shí)舵機(jī)支撐條件下結(jié)構(gòu)振型測(cè)試結(jié)果

2 流場(chǎng)控制與安全防護(hù)方法

2.1 風(fēng)洞流場(chǎng)控制方法

分別采用定馬赫數(shù)階梯變速壓和連續(xù)變速壓2種方式進(jìn)行顫振試驗(yàn)。

馬赫數(shù)控制系統(tǒng)采用前室總壓和駐室靜壓作為反饋信號(hào)，經(jīng)計(jì)算得到實(shí)際馬赫數(shù)，與目標(biāo)馬赫數(shù)進(jìn)行對(duì)比，差值作為控制系統(tǒng)的輸入。經(jīng)過流場(chǎng)控制系統(tǒng)的計(jì)算，向壓縮機(jī)系統(tǒng)發(fā)出運(yùn)行指令，通過改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變來(lái)流馬赫數(shù)。壓力控制系統(tǒng)直接以前室總壓作為被控對(duì)象，通過中壓控制系統(tǒng)完成增壓或降壓控制，如需要將壓力降至負(fù)壓條件(前室總壓0.1 MPa以下)，還需要啟動(dòng)真空控制系統(tǒng)。

本次試驗(yàn)啟動(dòng)方式分為2種：①常壓?jiǎn)?dòng)，逐漸增加壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，接近目標(biāo)馬赫數(shù)進(jìn)入閉環(huán)控制；②負(fù)壓?jiǎn)?dòng)，首先利用真空系統(tǒng)抽氣降低總壓至負(fù)壓條件，然后逐漸增加壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，接近目標(biāo)馬赫數(shù)后進(jìn)入閉環(huán)控制。待馬赫數(shù)穩(wěn)定后，通過中壓系統(tǒng)補(bǔ)氣逐漸增加總壓，馬赫數(shù)控制精度通過壓縮機(jī)-馬赫數(shù)控制回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制精度可以達(dá)到±0.001，總壓控制精度也可以達(dá)到±100 Pa。

對(duì)于階梯變速壓試驗(yàn)方式，在指定馬赫數(shù)下達(dá)到指定總壓階梯后維持一定時(shí)間，由動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取模型振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行模態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)處理和分析，外插得到顫振邊界，根據(jù)外插結(jié)果給出下一個(gè)總壓階梯。對(duì)于連續(xù)變速壓試驗(yàn)方式，自動(dòng)控制中壓系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣，直到達(dá)到目標(biāo)總壓為止。

2.2 安全防護(hù)方法

可靠的安全防護(hù)方法是在連續(xù)式風(fēng)洞開展顫振試驗(yàn)的前提條件。一方面，利用FL-61風(fēng)洞防喘閥實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)快速降速壓，圖4為馬赫數(shù)0.8、總壓0.1 MPa工況下，在t=0時(shí)刻打開防喘閥后來(lái)流馬赫數(shù)和速壓的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，打開防喘閥后t=2 s時(shí)，來(lái)流馬赫數(shù)下降了0.25，速壓由29.5 kPa下降至16.5 kPa，下降了約44%。

圖4 防喘閥打開后來(lái)流馬赫數(shù)和速壓的變化趨勢(shì)

另一方面，在Labview開發(fā)環(huán)境編寫了顫振試驗(yàn)安全防護(hù)控制程序，如圖5所示，綜合了振動(dòng)信號(hào)采集/顯示/頻譜分析、安全防護(hù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，在程序界面上可根據(jù)具體情況選擇某一信號(hào)通道作為安全防護(hù)判據(jù)，如果該通道幅值超限，則安全防護(hù)程序會(huì)向防喘閥控制系統(tǒng)發(fā)出指令，打開閥門。另外，還配備了人工緊急關(guān)車按鈕，如果程序出現(xiàn)錯(cuò)誤，則可通過人工手動(dòng)操作打開防喘閥。

圖5 安全防護(hù)程序界面和流程

此外，還在試驗(yàn)段下游(一拐前緣)加裝了防護(hù)網(wǎng)(包括一套格柵網(wǎng)和一套鋼絲網(wǎng))，如圖 6所示。即使模型發(fā)生顫振破壞，也會(huì)被防護(hù)網(wǎng)攔截下來(lái)，不至于被吹到下游，損壞風(fēng)洞壓縮機(jī)葉片。

圖6 顫振試驗(yàn)安全防護(hù)網(wǎng)

在試驗(yàn)過程中，安全防護(hù)程序會(huì)自動(dòng)分析模型振動(dòng)情況，一旦發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超限，則發(fā)出指令打開防喘閥；另外，試驗(yàn)人員可通過高清攝像機(jī)和高速攝像機(jī)同時(shí)監(jiān)控模型振動(dòng)情況，一旦發(fā)現(xiàn)模型振動(dòng)幅度過大，也可手動(dòng)操縱緊急按鈕打開防喘閥，確保試驗(yàn)的安全性。上述安全防護(hù)系統(tǒng)在本次試驗(yàn)中起到良好的作用，如圖7所示。在完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b和GVT測(cè)試后，人為給定一個(gè)較大的激勵(lì)，獲得加速度計(jì)響應(yīng)幅值，加速度安全防護(hù)閾值一般可以設(shè)置為該幅值的1.5～2倍，并且在試驗(yàn)過程中針對(duì)模型實(shí)際振動(dòng)情況對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)整，本次試驗(yàn)最終設(shè)定為100g。當(dāng)模型振動(dòng)超限時(shí)，安全防護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)，加速度響應(yīng)幅值快速下降，對(duì)模型起到很好的保護(hù)作用。

圖7 安全防護(hù)系統(tǒng)在本次試驗(yàn)中的實(shí)際效果

3 顫振試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

顫振試驗(yàn)時(shí)域結(jié)果如圖8所示。在每個(gè)有效的試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行頻譜分析，每段取5 s，重疊率20%，也就是每隔4 s進(jìn)行一次頻譜分析。對(duì)于階梯變速壓試驗(yàn)方式，在每個(gè)階梯內(nèi)按上述方式進(jìn)行處理；對(duì)于連續(xù)變速壓試驗(yàn)方式，在整個(gè)變速壓過程中按上述方式進(jìn)行處理，速壓取平均值。

圖8 顫振試驗(yàn)時(shí)域響應(yīng)

對(duì)連續(xù)變速壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，可以得到頻譜隨來(lái)流速壓的變化趨勢(shì)。如圖9所示為馬赫數(shù)0.8工況下，試驗(yàn)過程中加速度幅值隨速壓和頻率的變化趨勢(shì)。由圖可見，隨著來(lái)流速壓的增加，一階(30 Hz左右)和二階(55 Hz左右)模態(tài)頻率逐漸靠近，而且二階振動(dòng)能量逐漸變強(qiáng)，在顫振點(diǎn)附近急劇增加。

圖9 連續(xù)變速壓試驗(yàn)得到頻譜云圖

3.2 顫振邊界分析

利用峰值倒數(shù)外插顫振邊界。圖10a)和10b)分別是階梯和連續(xù)變速壓2種試驗(yàn)方式得到頻譜峰值倒數(shù)1/A隨來(lái)流速壓Q變化趨勢(shì)(馬赫數(shù)0.8)，其中圓點(diǎn)為試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線為線性擬合曲線。通過線性外插得到顫振邊界分別是66.49和66.93 kPa，差別小于1%。

圖10 2種試驗(yàn)方式得到的頻譜峰值倒數(shù)隨來(lái)流速壓的變化趨勢(shì)

最終得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖澱襁吔缛绫?所示。與根部固支相比，安裝條件換成機(jī)械舵機(jī)后，由于結(jié)構(gòu)形式有一定差別，顫振邊界下降約4.5 kPa；增加舵反饋后，顫振速壓提升約10%，這是因?yàn)槎鏅C(jī)反饋相當(dāng)于給舵機(jī)振動(dòng)提供一個(gè)負(fù)阻尼。

表2 舵面顫振邊界

4 結(jié) 論

1) 本文建立了連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)安全防護(hù)方法，結(jié)合防護(hù)網(wǎng)、防喘閥、安全防護(hù)控制等手段保證顫振試驗(yàn)安全性，通過本次試驗(yàn)得到很好的驗(yàn)證；

2) 通過階梯和連續(xù)變速壓方式進(jìn)行顫振試驗(yàn)，結(jié)果基本一致，其中前者便于試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判斷，后者效率較高；

3) 很難建立真實(shí)舵機(jī)支撐條件的數(shù)學(xué)模型，因此無(wú)法通過數(shù)值計(jì)算得到帶真實(shí)舵機(jī)以及舵反饋的舵面顫振特性，可以通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究。通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本文的模型和舵機(jī)，舵反饋相當(dāng)于給舵面提供了一個(gè)負(fù)阻尼，顫振速壓增加約10%。