大膨胀比喷管试验台的六分量天平研究

　　近年来，由于推力矢量喷管具有操纵飞机的偏航、俯仰、滚转能力，甚至可以越过失速极限操纵飞机，从而显著提高军用飞机的性能和作战效能，而且其进一步发展可减小甚至取消尾翼，直至无垂尾飞机，因此，推力矢量喷管成为国内外的航空研究热点。如20 世纪七八十年代中期欧、美等国研究的二元矢量喷管[1，2]，80 年代后期逐渐将重点转移至轴对称矢量喷管[3，4]，并已发展成为成熟技术。国内的学者也对推力矢量喷管进行了大量的研究[5，6]，特别是文献[7，8]为了测量矢量喷管的六分量力，分别研究了一种多分量矢量喷管试验台，其试验台采用组装结构天平，既能测量喷管六分量气动力，同时可实现静态标定; 文献[9]为了直接测量推力矢量大小、方向和推力效率，设计与制造了一种特殊的六分量喷管试验台天平，并成功地应用于轴对称喷管、菱形喷管和矩形喷管等。

　　本文设计非对称大膨胀比喷管试验台喷管的测力天平，直接测量多分力矢量喷管的六分量气动力来研究喷管气动性能。该试验台的被测模型为单斜喷管。天平实现测力的同时必须作为模型固定到支座( 箱体) 的连接件，才能将模型上承受的气动载荷全部经过天平传递至箱体，故常规的杆式天平与盒式天平等在结构上无法满足安装要求。其次，要考虑到天平在实际工作中主要承受的外载为轴向气动力与冲击力、侧向气动力、侧向气动力矩和由于喷管及天平连接附件等重力产生的侧向力矩等。另外，因为重力产生的侧向力矩相当大，该力矩的存在对其它分量的干扰较大，故最终确定该天平为六分量。

　　1 天平结构和原理

　　由于该天平的应用场合特殊，常规的杆式天平、盒式天平等结构形式难以满足安装要求，故该天平采用一种圆柱形整体框架式结构形式( 如图1 所示) 。它由浮动平台、固定平台、围绕在两个平台四周呈90°布置的4 个T 形梁组成，其中天平轴线方向开孔，便于喷管的安装。T 形梁由连接于固定平台的纵向梁及位于浮动平台的横向梁构成，4个横向梁均与浮动平台及固定平台垂直，两对T 形梁的纵向梁和横向梁的根部分别布置应变片以实现喷管6 个推力矢量的准确测量。该天平的结构型式与盒式天平力分解原理类似，通过机械分解原理和适当的测量电桥组合将6 个分量分别独立测出，即能实现空间六分量力的测量，同时具有结构简单、刚度高、灵敏度高、精度高等优点，并且各分量间的干扰小，其二阶干扰可达到忽略的程度。

　　2 结构设计

　　2. 1 X、Y、Mz元应变分析

　　为了使天平的输出信号尽可能大，该天平的六个元均利用应变梁的“S”弯变形，梁在相应受外载后的应变量按下式计算: