本發(fā)明是涉及一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置及方法，屬于實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

飛行器都有各種舵面，如方向舵、升降舵、副翼、襟翼等。舵面設(shè)計(jì)時(shí)，鉸鏈力矩的大小和氣動(dòng)力壓心位置是選擇舵面形狀以及舵軸位置的依據(jù)。風(fēng)洞鉸鏈力矩試驗(yàn)的目的在于測(cè)量飛行器各舵面氣動(dòng)力壓心的位置及其對(duì)鉸鏈軸的力矩。由于融合體布局飛行器舵面扁平，天平安裝空間不足，通常采用片式天平進(jìn)行測(cè)量。由于舵面空間尺寸限制，在片式天平上設(shè)計(jì)六分量載荷是極其困難的，通常片式天平是三分量載荷的，即天平只有CN、MX和MH載荷測(cè)量單元。當(dāng)舵面坐標(biāo)系與天平坐標(biāo)系有夾角時(shí)則無(wú)法得到舵面坐標(biāo)系下的CN、和MX，因此也就不能計(jì)算得到舵面氣動(dòng)力的壓心。通常采取的辦法是天平與待測(cè)一定舵偏角的舵面一體加工，天平的坐標(biāo)系和舵面坐標(biāo)系重合，保證天平測(cè)量得到的CN、MX和MH就是舵面坐標(biāo)系下的三分量載荷，隨之而來(lái)的問(wèn)題是待測(cè)舵面通常有多個(gè)舵偏角，這樣每個(gè)舵偏角均需一體加工一個(gè)天平，不僅增加了試驗(yàn)復(fù)雜度和試驗(yàn)成本，而且還因采用不同的天平而帶來(lái)不同的系統(tǒng)誤差。

還有的情況是對(duì)于特殊構(gòu)型的融合體布局飛行器測(cè)量舵面空間狹小到即使片式天平也難以設(shè)計(jì)安裝，只能把三分量片式天平固定在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅倔w上，當(dāng)舵面帶有舵偏角時(shí)舵面坐標(biāo)系與天平坐標(biāo)系不重合時(shí)，由于載荷分量的不完備性無(wú)法由天平坐標(biāo)系下的三分量載荷精確變換到舵面坐標(biāo)系下的三分量載荷，結(jié)果是僅能精確得到舵面的MH載荷分量，其它載荷分量以及氣動(dòng)力的壓心無(wú)法精確得到。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量扁平舵面每個(gè)舵偏角需要設(shè)計(jì)一個(gè)天平，試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜成本高，以及特殊融合體布局飛行器常規(guī)方法僅能得到MH載荷分量而無(wú)法精確得到舵面氣動(dòng)力壓心的缺點(diǎn)，提供一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置及方法，特別是在融合體布局飛行器由于空間限制只能安裝片式三分量載荷鉸鏈力矩天平時(shí)仍然能夠精確得到飛行器舵面的氣動(dòng)力壓心及多個(gè)載荷分量。

本發(fā)明要解決的技術(shù)方案：一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置，包括：板狀連接件(1)、彈性梁(2)、支座(3)、應(yīng)變片(4)；彈性梁(2)的一端與板狀連接件(1)相連，彈性梁(2)的另一端與支座(3)相連；支座(3)安裝在飛行器機(jī)翼內(nèi)部且與機(jī)翼固定連接；板狀連接件(1)、彈性梁(2)安裝在機(jī)翼內(nèi)部且不與機(jī)翼接觸；應(yīng)變片(4)位于彈性梁(2)的兩端，且與彈性梁(2)貼合。機(jī)翼為中空結(jié)構(gòu)，彈性梁(2)為方梁，數(shù)量為1個(gè)或多個(gè)，支座(3)為矩形片時(shí)，彈性梁(2)的另一端與支座(3)的長(zhǎng)邊和厚度形成的平面相連，且支座(3)的厚度c3是彈性梁(2)厚度c2的2倍及以上，彈性梁(2)的長(zhǎng)度a2是支座(3)短邊長(zhǎng)度a3的1及以上。板狀連接件(1)為矩形，彈性梁(2)的一端與板狀連接件(1)的長(zhǎng)邊和厚度形成的平面相連，且板狀連接件(1)的厚度c1是彈性梁(2)厚度c2的2倍及以上，板狀連接件(1)長(zhǎng)度a1是彈性梁(2)寬度b2的1倍及以上。支座(3)的長(zhǎng)邊b3以及板狀連接件(1)的長(zhǎng)邊b1均要不小于所有彈性梁(2)寬度b2之和的1.5倍。板狀連接件(1)能夠與待測(cè)融合體布局飛行器舵面固定連接。板狀連接件(1)能夠可拆卸的與不同角度的待測(cè)融合體布局飛行器舵面連接。待測(cè)融合體布局飛行器舵面為片狀，待測(cè)融合體布局飛行器舵面的根部能夠和板狀連接件(1)相連接。布置在彈性梁(2)兩端的應(yīng)變片(4)厚度不超過(guò)0.02mm，應(yīng)變片(4)平面尺寸不小于2×2mm。

一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量方法，步驟如下：

(1)對(duì)鉸鏈力矩天平進(jìn)行天平公式校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)兩套天平公式，兩套天平公式的坐標(biāo)系關(guān)系為原點(diǎn)和Z軸重合，且原點(diǎn)位于待測(cè)融合體布局的舵面的鉸鏈軸中心，將天平公式1和2的坐標(biāo)系Z軸與待測(cè)融合體布局的舵面的鉸鏈軸重合；天平公式1坐標(biāo)系X軸X1與鉸鏈力矩天平的彈性梁(2)平行，并指向氣流反方向；天平公式1坐標(biāo)系的Y軸符合右手定則；

天平公式2坐標(biāo)系通過(guò)天平公式1坐標(biāo)系繞天平公式1坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)夾角θ得到；鉸鏈力矩天平為三分量載荷天平，三個(gè)載荷分量分別為CN、MX、MH；

(2)在鉸鏈力矩測(cè)量試驗(yàn)時(shí)一次測(cè)量得到鉸鏈力矩天平的跑碼值，根據(jù)跑碼值用兩套天平公式分別計(jì)算出天平公式1的坐標(biāo)系下的載荷分量CN1、MX1、MH1和天平公式2的坐標(biāo)系下的載荷分量CN2、MX2和MH2；

(3)根據(jù)公式MY1＝(MX2-MX1·cosθ)/sinθ、CA1＝(CN2-CN1·cosθ)/sinθ和直接測(cè)量的三分量載荷CN1、MX1、MH1，得到天平公式1的坐標(biāo)系下的五分量載荷CN1、CA1、MX1、MY1和MH1；

(4)將天平公式1的坐標(biāo)系繞天平公式1的坐標(biāo)系的Z軸旋轉(zhuǎn)δ角度得到舵面坐標(biāo)系；

(5)根據(jù)步驟(3)的五分量載荷CN1、CA1、MX1、MY1和MH1和步驟(4)的δ角度，得到舵面坐標(biāo)系的五分量載荷CN3、CA3、MX3、MY3和MH3，由MH3和CN3根據(jù)公式XCP＝MH3/CN3得到弦向壓心XCP，由MX3和CN3根據(jù)公式XCP＝MX3/CN3得到展向壓心ZCP；

步驟(1)中對(duì)鉸鏈力矩天平在不同的天平坐標(biāo)系下校準(zhǔn)共兩套天平公式，兩套公式對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系原點(diǎn)和Z軸重合，并且兩個(gè)坐標(biāo)系繞Z軸呈一定夾角θ為待測(cè)融合體布局的舵面的舵偏最大角度。

本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的方法針對(duì)由于空間限制而只能采用只具有三分量載荷鉸鏈力矩天平的不足，提出單個(gè)天平在兩個(gè)繞Z軸呈θ夾角的坐標(biāo)系下分別校準(zhǔn)一個(gè)天平公式的辦法，通過(guò)力系的變換得到一個(gè)坐標(biāo)系下的五分量載荷；

(2)本發(fā)明的方法不需增加額外的設(shè)備使三分量載荷天平獲得了測(cè)量五分量載荷的能力，比五分量載荷天平相比尺寸可以設(shè)計(jì)的更小，特別適用于類似融合體布局飛行器舵面空間狹窄的舵面鉸鏈力矩測(cè)量試驗(yàn)；

(3)本發(fā)明的方法只需要設(shè)計(jì)加工一個(gè)天平就能測(cè)量待測(cè)不同舵偏角度的飛行器舵面的鉸鏈力矩特性，從而避免了常規(guī)方法每個(gè)舵偏角度均需一體加工一套天平的麻煩，而且避免了不同天平帶來(lái)的系統(tǒng)偏差；

(4)在有些情況下，由于舵面特別扁平，空間過(guò)于狹小，舵面中間無(wú)法安裝天平，采用三分量載荷片式天平固定在模型本體上，當(dāng)舵面坐標(biāo)系與天平坐標(biāo)系不一致時(shí)只能精確測(cè)量MH載荷分量，而本發(fā)明的方法能夠精確測(cè)量得到五分量載荷，從而根據(jù)CN、MX和MH能夠確定氣動(dòng)力的展向和弦向壓心等重要參數(shù)；

附圖說(shuō)明

圖1為鉸鏈力矩天平坐標(biāo)系與舵面坐標(biāo)系關(guān)系圖；

圖2為鉸鏈力矩天平的兩個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系圖；

圖3為單個(gè)鉸鏈力矩天平校準(zhǔn)兩套天平公式的坐標(biāo)系關(guān)系圖；

圖4為飛行器鉸鏈力矩的測(cè)量裝置示意圖；

圖5為本發(fā)明的流程圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基本思路為：提出了一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置及方法，對(duì)于融合體布局的扁平舵面由于模型安裝空間限制，只能采用片式小天平進(jìn)行測(cè)量，片式小天平通常是三分量天平，即只有CN、MX和MH測(cè)量單元，由于天平只有三個(gè)單元，因此當(dāng)舵偏變角度的時(shí)候無(wú)法轉(zhuǎn)換得到CN和MX單元數(shù)據(jù)，所以常規(guī)做法是針對(duì)每一個(gè)舵偏角設(shè)計(jì)校準(zhǔn)一個(gè)天平，結(jié)果是試驗(yàn)成本顯著增加和帶來(lái)天平的隨機(jī)誤差，本發(fā)明方法的要點(diǎn)是把片式應(yīng)變天平固定在模型上，不同舵偏的舵面均用同一個(gè)天平測(cè)量，不同的是該片式天平校準(zhǔn)兩套天平公式，并且兩套天平公式的坐標(biāo)系原點(diǎn)和Z軸重合，但是繞Z軸成一定夾角θ，見摘要附圖所示。通過(guò)一次天平測(cè)量可以得到在天平坐標(biāo)系1下的載荷CN1、MX1和MH1，以及天平坐標(biāo)系2下的載荷CN2、MX2和MH2，由于氣動(dòng)載荷是矢量，與坐標(biāo)系無(wú)關(guān)，因此根據(jù)矢量合成法則得到MX2＝MX1·cosθ+MY1·sinθ，于是可以得到MY1＝(MX2-MX1·cosθ)/sinθ，同理根據(jù)公式CN2＝CN1·cosθ+CA1·sinθ，于是可以得到CA1＝(CN2-CN1·cosθ)/sinθ。通過(guò)上述處理方法得到了在天平坐標(biāo)系1下的五分量載荷(CN1、CA1、MX1、MY1和MH1)，于是繞Z軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，能夠得到此時(shí)坐標(biāo)系下的五分量載荷，即是不同舵偏下舵面坐標(biāo)系下的載荷。因此，通過(guò)本發(fā)明的方法采用一個(gè)固定三分量片式小天平能夠得到不同舵偏下的五分量氣動(dòng)載荷。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明的測(cè)量裝置做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖4所示，本發(fā)明的一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置，其組成部分主要包括：板狀連接件1、彈性梁2、支座3、應(yīng)變片4；測(cè)量裝置的材料優(yōu)選采用的是具有高強(qiáng)韌性的馬氏體時(shí)效鋼00Ni18Co8Mo5TiAl，用其加工的測(cè)量裝置具有精度高重復(fù)性好的特點(diǎn)；彈性梁2的一端與板狀連接件1相連，彈性梁2的另一端與支座3相連；支座3安裝在飛行器機(jī)翼內(nèi)部且與機(jī)翼固定連接；板狀連接件1、彈性梁2安裝在機(jī)翼內(nèi)部且不與機(jī)翼接觸；應(yīng)變片4位于彈性梁2的兩端，且與彈性梁2貼合；機(jī)翼設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，為在其內(nèi)部安裝測(cè)量裝置預(yù)留空間，在風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)保證氣流不會(huì)直接作用到測(cè)量裝置上；本實(shí)例彈性梁2為方梁，方梁的應(yīng)變特征明顯，其上的平面也利于粘貼應(yīng)變片，本實(shí)例氣動(dòng)載荷偏小，要求的靈敏度高，因此彈性梁設(shè)計(jì)為兩個(gè)；支座3設(shè)計(jì)為矩形片，彈性梁2的另一端與支座3的長(zhǎng)邊和厚度形成的平面相連，支座3的厚度c3是彈性梁2厚度c2的2.5倍，彈性梁2的長(zhǎng)度a2是支座3短邊長(zhǎng)度a3的1.5倍，尺寸限制的主要目的是減小支座尺寸滿足小空間安裝的同時(shí)又不使安裝支座產(chǎn)生的應(yīng)變干擾彈性梁2，從而保證測(cè)量裝置零點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性；板狀連接件1為矩形，彈性梁2的一端與板狀連接件1的長(zhǎng)邊和厚度形成的平面相連，且板狀連接件1的厚度c1是彈性梁2厚度c2的2.5倍，板狀連接件1長(zhǎng)度a1是彈性梁2寬度b2的1.5倍，尺寸限制的目的是既要減小板狀連接件1的尺寸，滿足小空間的安裝要求，又要保證安裝舵面時(shí)安裝應(yīng)力不干擾到彈性梁2，從而保證測(cè)量裝置零點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性，由于安裝空間尺寸的限制，板狀連接件1的外側(cè)加工了L型平臺(tái)，用于與舵面配合面安裝時(shí)不增加板狀連接件1的厚度；支座3的長(zhǎng)邊b3以及板狀連接件1的長(zhǎng)邊b1相等，且是所有彈性梁2寬度b2之和的3倍。板狀連接件1能夠與待測(cè)融合體布局飛行器舵面固定連接，而且能夠可拆卸的與不同角度的待測(cè)融合體布局飛行器舵面連接；待測(cè)融合體布局飛行器舵面為片狀，待測(cè)融合體布局飛行器舵面的根部加工有相反的L型平臺(tái)和板狀連接件1的L型平臺(tái)配合連接，通過(guò)L型平臺(tái)配合使板狀連接件1和飛行器舵面配合后板狀連接件1的厚度不增加；布置在彈性梁2兩端的應(yīng)變片4厚度優(yōu)選為0.01mm，緊密貼合在彈性梁兩端的平面上使應(yīng)變片的應(yīng)變與彈性梁的應(yīng)變跟隨性好，應(yīng)變片4平面尺寸優(yōu)選為2×4mm，在尺寸允許的情況下較大尺寸的應(yīng)變片粘貼時(shí)容易保證粘貼的位置或粘貼的角度準(zhǔn)確。

鉸鏈力矩天平即為一種測(cè)量融合體布局飛行器舵面鉸鏈力矩的測(cè)量裝置。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明的方法做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

(1)某融合體布局模型鉸鏈力矩試驗(yàn)要求測(cè)量扁平舵面優(yōu)選的0°～10°舵偏角時(shí)的鉸鏈力矩及壓心，由于測(cè)量空間限制采用了具有CN、MX、MH三分量載荷的片式天平固定在機(jī)翼內(nèi)部，設(shè)計(jì)帶不同舵偏角的舵面與鉸鏈力矩天平連接，如圖2所示，對(duì)鉸鏈力矩天平進(jìn)行天平公式校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)兩套天平公式，兩套天平公式的坐標(biāo)系關(guān)系為原點(diǎn)和Z軸重合，且原點(diǎn)位于待測(cè)融合體布局的舵面的鉸鏈軸中心，將天平公式1和2的坐標(biāo)系Z軸與待測(cè)融合體布局的舵面的鉸鏈軸重合；天平公式1坐標(biāo)系X軸X1與鉸鏈力矩天平的彈性梁平行，并指向氣流反方向；天平公式1坐標(biāo)系的Y軸符合右手定則；

如圖3所示，本實(shí)例天平公式2坐標(biāo)系通過(guò)天平公式1坐標(biāo)系繞天平公式1坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)夾角-10°得到；

(2)某次吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)測(cè)量舵偏δ＝5°，多個(gè)迎角α°下的天平的跑碼值如表1：

表1天平跑碼值(mv/v)

根據(jù)跑碼值用兩套天平公式分別計(jì)算出天平公式1的坐標(biāo)系下的載荷分量CN1、MX1、MH1和天平公式2的坐標(biāo)系下的載荷分量CN2、MX2和MH2，見表2：

表2在天平坐標(biāo)系1和坐標(biāo)系2下的載荷(kg或kg·m)

(3)由于同一矢量在不同坐標(biāo)系下表示是等價(jià)的，因此根據(jù)力系的分解規(guī)則有如下關(guān)系：CN2＝CN1·cosθ+CA1·sinθ

MX2＝MX1·cosθ+MY1·sinθ

由上述關(guān)系于是得到，

CA1＝(CN2-CN1·cosθ)/sinθ

MY1＝(MX2-MX1·cosθ)/sinθ

于是求解得到天平公式1的坐標(biāo)系下的載荷CA1和MY1，如表3：

表3求得的載荷(kg或kg·m)

至此，得到天平公式1的坐標(biāo)系下的五分量載荷CN1、CA1、MX1、MY1和MH1；

(4)如圖1所示天平坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1和舵面坐標(biāo)系O3-X3Y3Z3的關(guān)系，天平校準(zhǔn)中心在鉸鏈軸上，繞Z軸的夾角即是舵偏角為δ＝5°，根據(jù)力系的分解規(guī)則載荷由天平坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1轉(zhuǎn)到舵面坐標(biāo)系O3-X3Y3Z3得，

CN3＝CN1·cosδ+CA1·sinδ

MY3＝MY1·cosδ-MX1·sinδ

CA3＝CA1·cosδ-CN1·sinδ

MX3＝MX1·cosδ+MY1·sinδ

MH3＝MH1

由上述公式可以看出，常規(guī)方法中當(dāng)天平只有三分量載荷CN1、MX1、MH1，而CA1和MY1是未知的，當(dāng)舵面帶角度即δ不為0°時(shí)僅能得到MH3，而不能得到CN3和MX3，因而也無(wú)法得到弦向和展向壓心等重要參數(shù)。

(5)根據(jù)步驟(3)的五分量載荷CN1、CA1、MX1、MY1、MH1和步驟(4)的變換關(guān)系及δ＝5°，得到舵面坐標(biāo)系的五分量載荷CN3、CA3、MX3、MY3和MH3，如表4：

表4由天平坐標(biāo)系1轉(zhuǎn)換到舵面坐標(biāo)系下的載荷(kg或kg·m)

至此，通過(guò)本發(fā)明的方法采用三分量載荷鉸鏈力矩天平求得了舵面坐標(biāo)系下的五分量載荷，進(jìn)一步由MH3和CN3根據(jù)公式XCP＝MH3/CN3得到弦向壓心XCP，由MX3和CN3根據(jù)公式XCP＝MX3/CN3得到展向壓心ZCP。

以上所述僅為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例子，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。