四分量片式铰链力矩天平技术及风洞实验应用研究

　　0　引　言

　　飞行器都有各种操纵面(又称舵面),如方向舵、升降舵、副翼、襟翼等。飞行器对舵面的基本要求,一是舵面要能产生足够的操纵力矩,以保证飞行器能在所要求的状态飞行,二是舵面偏转到所要求角度的时间短,以保证飞行器具有良好的机动性和跟随性。舵面设计时,铰链力矩的大小和压心位置是选择舵面形状以及转轴位置的依据。风洞铰链力矩实验的目的在于测量飞行器各舵面气动力作用点的位置及其对转轴(铰链轴)的力矩[1]。通常,风洞铰链力矩实验数据要给出舵面体轴系的铰链力矩系数、法向力系数以及压心位置(包括弦向压心位置和展向压心位置)。

　　在测量铰链力矩的几种不同模型实验方法中,采用全机模型较为广泛。在这种实验中,天平一般直接固定在舵面所附属的翼型内,由于尺寸空间限制,通常天平结构为片式结构。长期以来,该类风洞铰链力矩实验天平通常为三分量结构,即测量铰链力矩以及舵面上的法向力和法向力绕飞行器轴线的滚转力矩,通常忽略轴向力的影响。该三分量天平结构能够准确的测量舵面铰链力矩,但对于舵面法向力系数和舵面压心位置无法准确测量。实际上,由于模型尺度小,用于安装测量天平的空间有限,通常都是将天平置于厚度相对较大的机翼内部,天平轴系与舵面轴系不重合。此时,在舵面偏角较大时,天平轴向力将会很大,不能忽略轴向力的影响。即使天平轴系与舵面体轴系重合,轴向力也会对测量结果产生微小的影响。

　　首先通过铰链力矩舵面受力分析,得出了忽略轴向力后对舵面法向力以及压心位置测量带来的影响趋势,继而根据常规柱状轴向力元件设计思想并结合有限元计算分析技术给出了一种在常规三分量片式铰链力矩天平基础上增加轴向力测量元件的解决方案,并将该设计方案应用于某模型升降舵风洞铰链力矩实验。

　　1　四分量片式铰链力矩天平技术

　　一直以来,由于模型舵面空间尺寸限制,在片式结构铰链力矩天平上增加轴向力测量元件非常困难,因此通常忽略轴向力元件设计。下面通过研究、分析给出了一种在常规片式结构三分量铰链力矩天平基础上增加轴向力测量元件的解决方案。

　　1.1　铰链力矩天平设计理念

　　铰链力矩天平是特种天平,需要根据不同的模型实验方法选择天平结构形式[1-2]。通常情况下,铰链力矩天平设计不采用单分量而采用多分量,这是因为单分量铰链力矩天平不能测出舵面上气动力作用点的位置,此外,舵面作用的法向力、滚转力矩等对天平所测铰链力矩值有干扰,无法做修正;铰链力矩天平所测量的几个分量的量程相差较大;对于常用的内式铰链力矩天平,因为它必须安装在机身或翼面内,空间受到很大的限制。这些都给铰链力矩天平的设计带来困难,特别是安装在翼面内部的铰链力矩天平,通常为片式结构,轴向力设计很困难,因而目前该类铰链力矩天平大多为三分量,即只测量相对于天平自身轴系的法向力以及舵面气动力绕转轴的铰链力矩和绕天平自身轴线的滚转力矩。