一种用于飞机模型动力模拟风洞试验的空气桥天平的研制

徐 越， 邱俊文， 李 聪， 徐铁军

（1.中国航空工业空气动力研究院， 黑龙江 哈尔滨 150001；2.低速高雷诺数气动力航空科技重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

飞机模型动力模拟风洞试验中的推力矢量技术因其对作战飞机的性能、 作战效率和生存能力的极大地提高，已成为许多国家竞相发展的航空关键技术。目前西方国家第三，四代战斗机已经大量使用推力矢量技术，正在研制发展的第五代战斗机均把推力矢量技术作为必备技术之一，而发展推力矢量技术的基础是研制具有推力矢量偏转的多功能喷管。在发展飞机模型动力模拟风洞试验推力矢量喷管技术中，研制一种用于研究推力矢量喷管性能实验的空气桥天平变得十分重要。

1 天平总体设计

1.1 天平主要技术难点

该空气桥天平将用于矢量推力后体测力试验，要求测量出外流场对内流推进特性的影响，即测量出外部气动力的同时还要测量喷管推力。 考虑到机身模型内部需要安装通气管道，而模型内部空间有限，空气桥天平体采用环式结构。 通气管道从天平中间穿过，天平固定端与模型端高压供气管路采用波纹管连接，这样可以有效减小供气压力对天平测立的干扰影响。

由于天平采用环式结构，而阻力载荷相对较大，所以阻力段采用“U”型结构。 这样既能提高阻力测量精度、减小其它分量的干扰，又对整体刚度做了较大的贡献。 阻力支撑片设置12 片前后对称；阻力测量片设置4 片。 采用双四柱梁元件测量其它五个分量；校心置于双四柱梁元件的对称中心。 风洞试验时天平受力较为复杂，这种结构使天平具有较好的力分解能力和较高的刚度。天平前后连接形式采用法兰盘连接，连接孔为4 个M8 螺孔和2 个销钉。

天平法向力和力矩电桥组合采用前后贴片组桥，轴向力X 元件贴片尽量靠近根部， 用以粘贴应变片的底基部分，最大应变处就是应变计的有效丝栅部分。 这样对天平的刚度并没有损害，但可提高轴向力元件8%～10% 的电压输出信号。若用减小轴向力元件厚度的办法来提高输出信号，则天平整体刚度就会减弱，各分量对轴向力X 元件的非线性干扰就会加剧， 天平相关设计参数如表1 所示，空气桥天平结构三维模型如图1 所示。

表1 天平设计参数表（毫米）Tab.1 Balance design parameters（mm）

图1 空气桥天平三维模型图示意Fig.1 Three dimensional model of air bridge balance

1.2 天平设计计算

天平设计载荷如表2 所示。 应用有限元方法进行天平设计， 将天平测量元件作为弹性元件处理，并划分为有限个单元。 天平网格划分采用十结点四面体单元， 这种单元划分在刚度计算上较为准确。 在天平主体处，网格密度可减少，网格畸变可大些。 在天平测量元件及其附近处，网格密度要大，网格畸变要小，以便能精确计算天平测量元件的应力分布。有限元计算分析采用PATRAN 和NASTRAN 软件。 结点数200200 为和单元数为125367，天平应变云图如图2-9 所示，计算结果如表3 所示。

表2 天平设计载荷Tab.2 Design load of balance

图2 天平整体变形位移云图Fig.2 Cloud chart of overall deformation and displacement of balance

图3 天平整体应力云图Fig.3 Overall stress nephogram of balance

图4 升力应变云图Fig.4 Lift strain cloud

图5 俯仰应变云图Fig.5 Elevation strain cloud

图6 阻力应变云图Fig.6 Resistance strain nephogram

图7 滚转应变云图Fig.7 Rolling strain nephogram

图8 侧力应变云图Fig.8 Lateral stress-strain nephogram

图9 偏航应变云图Fig.9 Yaw strain nephogram

表3 天平设计参数计算结果Tab.3 Calculation results of balance design parameters

2 空气桥天平校准设备设计

由于本天平杆径较大，而升力载荷相对较小。 所以设计的加载设备尺寸较大，这样会带来加载设备自身重量较大，考虑到这点选用材料铝材7075（即LC4），同时保证加载架的刚度。 天平要求校准架具有角度复位功能，这样在校准过程中能消除系统误差， 使测量结果更加真实准确。图10 为校准装置。该加载架纵向加载臂长420mm，横向加载臂长600mm。 采用有限元方法对纵向筒刚度进行分析，分析结果如图11 所示。

天平前端横向挠度和弹性角f=0.0233mm， 即0.023/420=0.0055%，加载梁前端角度变化θ=0.173"，满足天平加载精度0.01%要求。

图10 天平校准加载架三维图Fig.10 Three dimensional diagram of balance calibration loading frame

图11 天平整体位移分析Fig.11 Overall displacement analysis of balance

3 天平校准方案

首先进行空气桥天平的地轴单元静校， 得到该天平的校准公式，然后对空气桥天平施加综合检验载荷，计算得出天平的精度指标和准度指标。然后安装试验所用设备，进行不通气载荷静校，得到此种情况下的天平静校公式。

由于供气需要，在天平与固定输气管道间安装了全弹性波纹管。 由于波纹管的存在，为天平带来了附加力和力矩， 并且该力和力矩随着波纹管承受的压力和流量而变化。这种附加力和力矩的存在使天平的测量值与试验的真实值之间存在很大的差异，因此，为获得试验的真实值需要对天平的测量值进行修正。 波纹管安装组装完成后，进行空气桥天平组合静校。

按上述分析风洞试验需要通过对天平测量值的两次修正来获得试验的真实值，两次修正为：按波纹管承受压力修正和按通过波纹管流量修正。

3.1 波纹管影响的修正-按受压力

在不加载情况下将尾喷口堵塞，对天平试验管道进行充气，此时管路内无流动。 此时波纹管的弹性系数会随着其承受的压力不同而改变，使其对天平的附加力和力矩随压力而改变，使天平的输出相应改变。 记录下压力和相应压力下的天平输出，以未充气时天平的输出为零点，计算波纹管因压力而对天平产生的附加力和力矩，作为波纹管随压力变化对天平影响的修正。

3.2 波纹管影响的修正-按流通流量

气流的流动会使波纹管对对天平的附加力矩和力较无流动时有所改变，必须对天平公式的计算结果进行进一步修正.由于校准所用喷管不是标准喷管，故喷管推力需要由测量和计算得出。 推力公式为：

式中：G—质量流量（kg/s）； R—气体常数，287.053 m2/s2K°；k—比热比（冷喷流为1.4）；T0j—喷流总温（K°）。

用计算得到的真实推力值减掉天平测得的值，并得到在相应压力下波纹管修正量，即为随流量的修正量。 记录下不同压力下的波纹管修正量，得到推力的修正曲线。 其它分量用相应压力下天平充气无流动时天平输出为零点，得到随流量变化的修正曲线。

3.3 真实试验工作环境下校准方法的探索

查阅相关资料，国内相关风洞试验都是采用上述方法对天平测量值进行修正。这种方法主要是先校准出一套天平公式，然后再用不同的工作环境下通过测量与计算出相应的干扰量进行修正。 但由于天平校准角度，安装以及其他不可见误差的产生，这样得到的最终值是与真实值是有一定的误差的。本套校准设备能够实现在供气管道通气的环境下对推力矢量天平进行校准，得到各元主系数随供气压力的变化规律修正曲线，通过这种办法得到的天平公式是比较真实的。

4 结论

空气桥天平及其校准装置的研制是一项较为复杂的系统工程，它是多项技术的统一体，其中在真实试验环境下对空气桥天平进行校准获得天平公式在当时我国尚属首例。经过大量的调研和多方合作精心研制设计的校准装置和校准方案，能够实现空气桥天平的校准要求，并在比较其他类似试验的基础上加以创新和改进，是保证试验获得准确试验数据的重要基础。