本實(shí)用新型涉一種臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，屬于屬于空氣動(dòng)力學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著儲(chǔ)能電池技術(shù)和無(wú)刷電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)飛機(jī)越來(lái)越受到人們的重視。常規(guī)的電動(dòng)飛機(jī)具有體積小、重量輕、低成本、操縱方便、機(jī)動(dòng)靈活、噪音小、隱蔽性好等特點(diǎn)，具有很高的軍事和民用價(jià)值。以太陽(yáng)能最為動(dòng)力來(lái)源的飛行平臺(tái)能夠在空中停留無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，也成為現(xiàn)代無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。目前，電動(dòng)飛機(jī)的一個(gè)顯著共同點(diǎn)是均采用螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)，其效率嚴(yán)重影響著無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)重量和飛行性能等要素。推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能主要取決于螺旋槳和電動(dòng)機(jī)的性能和效率，以及兩者之間的匹配特性。

臨近空間太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)飛行高度為0km～30km之間，飛行速度范圍8m/s～45m/s，具有飛行高度和速度跨度大的特點(diǎn)。作為其主要?jiǎng)恿ρb置的螺旋槳處于高空低密度工作環(huán)境，20km高度的大氣密度約為海平面的1/14，壓強(qiáng)約1/18，呈低密度、低雷諾數(shù)效應(yīng)。目前，國(guó)外將臨近空間螺旋槳試驗(yàn)分為二維低雷諾數(shù)螺旋槳翼型試驗(yàn)和三維螺旋槳試驗(yàn)兩部分，試驗(yàn)方法主要有地面增壓式風(fēng)洞試驗(yàn)和臨近空間氣球/滑翔機(jī)搭載試驗(yàn)兩種方法。這兩種方法都具有準(zhǔn)確度好的特點(diǎn)，但是投入成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)尚不具備這樣的試驗(yàn)條件。

目前，國(guó)內(nèi)較多采用的臨近空間螺旋槳試驗(yàn)方法是地面常規(guī)低速風(fēng)洞縮比模型試驗(yàn)和地面車載試驗(yàn)。然而，國(guó)內(nèi)低速風(fēng)洞在風(fēng)速低于8m/s時(shí)流場(chǎng)品質(zhì)難以保證，模擬不準(zhǔn)確，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。常規(guī)地面車載試驗(yàn)容易受外界風(fēng)和地面路況等因素的干擾，都會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。如何在地面模擬螺旋槳的臨近空間工作狀態(tài)，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)條件，提供一種臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，模擬螺旋槳的臨近空間工作狀態(tài)，進(jìn)行螺旋槳性能試驗(yàn)。

本實(shí)用新型的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

提供一種臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，包括來(lái)流模擬系統(tǒng)、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和支架；

所述來(lái)流模擬系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)段，軌道，拖車和拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述實(shí)驗(yàn)段為密閉空間；所述軌道為平行雙軌道，固定在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)；所述拖車在拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的控制下，按指定速度沿軌道前進(jìn)；

數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)包括二分量天平和數(shù)據(jù)采集控制模塊；所述二分量天平測(cè)量螺旋槳的拉力和扭矩并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制模塊；數(shù)據(jù)采集控制模塊采集二分量天平測(cè)量的拉力和扭矩，并輸出；

螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括電機(jī)，所述電機(jī)固定在二分量天平內(nèi)部，電機(jī)輸出軸端部延伸至二分量天平外部，所述螺旋槳固定在電機(jī)輸出軸端部，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；

支架為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的后端固定在拖車車頭前端并向前延伸，二分量天平固定在支架前端。

優(yōu)選的，二分量天平為管式結(jié)構(gòu)，拉力測(cè)量元件設(shè)計(jì)為軸向?qū)ΨQ的豎直梁式結(jié)構(gòu)，扭矩測(cè)量元件設(shè)計(jì)為軸向?qū)ΨQ的輪輻式結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述電機(jī)同軸安裝在二分量天平內(nèi)部，固定在二分量天平的前端面上，所述前端面具有通孔，電機(jī)輸出軸通過(guò)所述通孔延伸到前端面外部，連接螺旋槳。

優(yōu)選的，所述實(shí)驗(yàn)段的地面設(shè)置平行雙軌道，且兩個(gè)軌道之間為矩形凹槽，凹槽的寬度大于螺旋槳直徑的3倍，凹槽的高度大于螺旋槳直徑。

優(yōu)選的，支架長(zhǎng)度大于3m，支架的前端左右兩側(cè)分別通過(guò)一個(gè)支桿固連到拖車底盤兩側(cè)的支柱上端；支桿與水平方向的夾角為25°～40°。

優(yōu)選的，數(shù)據(jù)采集控制模塊包括轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)、車速測(cè)量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集處理器；所述轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理器；所述車速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量拖車行進(jìn)速度，并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集處理器；所述數(shù)據(jù)采集處理器采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、拖車行進(jìn)速度、拉力和扭矩?cái)?shù)據(jù)，并發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；所述控制計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，接收數(shù)據(jù)采集處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制顯示器實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，來(lái)流模擬系統(tǒng)、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)之間均進(jìn)行電磁屏蔽。

優(yōu)選的，螺旋槳直接安裝于電機(jī)輸出軸，二分量天平通過(guò)支座固定于支架前端。

本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)本發(fā)明利用軌道拖車模擬試驗(yàn)狀態(tài)，拖車較低的前進(jìn)速度和較高的速度控制精度，可以為螺旋槳提供穩(wěn)定的來(lái)流環(huán)境，且試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，不受人員和風(fēng)等外界條件的干擾，試驗(yàn)段橫截面積大，易于獲得較好的流場(chǎng)品質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋槳?dú)鈩?dòng)特性、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性和推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能測(cè)試。

(2)本發(fā)明通過(guò)測(cè)量螺旋槳反作用于電機(jī)的扭矩和拉力，等同得到螺旋槳自身的扭矩和拉力，將電機(jī)置于天平內(nèi)部，結(jié)構(gòu)巧妙，測(cè)試便捷，裝置易于實(shí)現(xiàn)。

(3)本發(fā)明通過(guò)懸臂梁支架支撐天平和螺旋槳，支架長(zhǎng)度大于3m，降低了拖車對(duì)螺旋槳附近流場(chǎng)的干擾；懸臂梁兩側(cè)設(shè)置支桿，降低了懸臂梁的振動(dòng)干擾，優(yōu)選的支桿傾角，使懸臂梁的振動(dòng)達(dá)到最低。提高了試驗(yàn)測(cè)試的精度。

(4)本發(fā)明通過(guò)在軌道內(nèi)側(cè)設(shè)置凹槽，增大了試驗(yàn)段橫截面積，減小了壁面對(duì)螺旋槳附近流場(chǎng)的干擾。

(5)本發(fā)明的臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)采用等前進(jìn)比和等雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則，選用原尺寸螺旋槳模型，忽略馬赫數(shù)的影響，降低了模型加工難度和對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型臨近空間螺旋槳測(cè)試系統(tǒng)示意圖；其中圖1(a)為螺旋槳測(cè)試系統(tǒng)的側(cè)視圖；圖1(b)螺旋槳測(cè)試系統(tǒng)的前視圖；

圖2為測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖3為供電系統(tǒng)示意圖；

圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

臨近空間螺旋槳地面試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)流模擬系統(tǒng)、螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和支架；

所述來(lái)流模擬系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)段9，軌道8，拖車7和拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述實(shí)驗(yàn)段9為密閉空間；所述軌道8為平行雙軌道，固定在實(shí)驗(yàn)段9內(nèi)；所述拖車7在拖車供電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的控制下，按指定速度沿軌道前進(jìn)。

數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)包括二分量天平2和數(shù)據(jù)采集控制模塊6；所述二分量天平2測(cè)量螺旋槳1的拉力和扭矩并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制模塊；數(shù)據(jù)采集控制模塊6采集二分量天平測(cè)量的拉力和扭矩，并輸出，數(shù)據(jù)采集控制模塊采用DSP數(shù)據(jù)采集器。

螺旋槳轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括電機(jī)3，所述電機(jī)3固定在二分量天平2內(nèi)部，電機(jī)3輸出軸端部延伸至二分量天平2外部，二分量天平2為中空結(jié)構(gòu)，所述電機(jī)3同軸安裝在二分量天平內(nèi)部，固定在二分量天平3的前端面上，所述端面具有通孔，電機(jī)輸出軸通過(guò)所述通孔延伸到端面外部，連接螺旋槳1，所述螺旋槳固定在電機(jī)輸出軸端部，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；支架5為懸臂梁結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)的后端固定在拖車車頭前端并向前延伸，二分量天平固定在支架5前端。

如圖1（a），（b）所示，一種電動(dòng)飛機(jī)螺旋槳地面試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)壁10 做為試驗(yàn)段壁面，試驗(yàn)段橫截面呈倒“凸”字形，凹槽的寬度大于螺旋槳直徑的3倍，凹槽的高度大于螺旋槳直徑。兩條軌道鋪設(shè)于凸字槽邊緣，拖車7置于軌道上，流線型拖車頭部安裝一根懸臂支架5，帶有支座的輪輻式二分量天平支座固定于懸臂支架上遠(yuǎn)離車頭的一端，電機(jī)與天平同軸固連，被測(cè)螺旋槳直接安裝在電動(dòng)機(jī)輸出軸端。在試驗(yàn)段9內(nèi)靜止空氣中，螺旋槳前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速分別通過(guò)拖車控制系統(tǒng)和電機(jī)控制器精確控制。

如圖2所示，測(cè)試系統(tǒng)硬件包括輪輻式二分量天平、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)、車速測(cè)量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)、直流電源、數(shù)據(jù)采集處理器。所述輪輻式二分量天平呈管式結(jié)構(gòu)，電機(jī)穿過(guò)天平并與天平端面固連，電機(jī)輸出軸伸出天平端面，螺旋槳安裝于電機(jī)輸出軸端，天平通過(guò)L型法蘭與支架前端連接。支架長(zhǎng)度大于3m，支架的前端左右兩側(cè)分別通過(guò)一個(gè)支桿固連到拖車底盤兩側(cè)的支柱11上；支桿4與水平方向的夾角為25°～40°。天平的拉力測(cè)量元件設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱豎直梁式結(jié)構(gòu)，扭矩測(cè)量元件設(shè)計(jì)為軸對(duì)稱的輪輻式結(jié)構(gòu)，測(cè)量推進(jìn)系統(tǒng)受到的拉力和扭矩。

所述轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所述車速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量拖車速度，所述控制計(jì)算機(jī)發(fā)送測(cè)試操作指令，DSP數(shù)據(jù)采集處理器通過(guò)通訊接口RS422獲取車速測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)和天平所測(cè)數(shù)據(jù)，控制計(jì)算機(jī)接收并處理各測(cè)量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，顯示器實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。供電電源為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)供電，并通過(guò)隔離變壓器分別對(duì)電動(dòng)機(jī)、天平、轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)、車速測(cè)量系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集處理器采取電磁隔離措施，如圖3所示。

圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，各傳感器采集的數(shù)據(jù)由RS422總線實(shí)現(xiàn)與DSP數(shù)據(jù)采集處理器的通信，DSP與計(jì)算機(jī)通過(guò)USB連接，所有數(shù)據(jù)采集均采用同步采樣。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量由光柵盤測(cè)頻實(shí)現(xiàn)，傳感器采集值為0～5V脈沖信號(hào)。拖車速度的測(cè)量由旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)頻實(shí)現(xiàn)，安裝在拖車車輪上，用來(lái)測(cè)量和控制車速，采集值為0V-5V脈沖信號(hào)。天平輸出的拉力和扭矩測(cè)量值均為0～2V的模擬信號(hào)，所有測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

本實(shí)用新型可以達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

以上所述，僅為實(shí)用新型最佳的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本實(shí)用新型說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。