弹射救生系统大迎角大侧滑角天平设计研究

　　0　引　言

　　要实现弹射救生系统模型大迎角大侧滑角试验技术,其中极为关键的是要研制出满足试验研究总体方案要求的天平,该天平研制难度大。针对1.2m跨超声速风洞与弹射救生系统模型的特点,制定满足测量要求的天平研制方案。该天平设计的试验条件如下:

　　试验马赫数:M=0.60、0.90、1.20;

　　试验迎角范围:α=0°~360°;

　　试验侧滑角范围:β=0°~±180°。

　　在上述试验条件范围,需要测定弹射救生系统模型的六分量空气动力特性。一般说来,常规应变天平各分量的设计量程必须合理选择和匹配,如果匹配不合适,将增加应变天平的设计难度。对高速风洞常规应变天平而言,各分量设计量程有如下匹配关系:Y/X<15,Y/Z<5,Y/Mz<15m-1,Y/My<50m-1,Y/Mx<70m-1。根据弹射救生系统的试验条件估算出的天平设计载荷如表1所示。

　　利用风洞侧壁半模转窗改变弹射座椅的侧滑角,而模型的迎角则利用步进谐波马达来实现,总体布置如图1所示。模型缩比为1∶5,由此得到模型高度为280mm,宽为94mm,厚为80mm。在进行风洞试验时,为了保证天平能正常工作,天平元件不能直接暴露在气流之中,这样就限制了天平总长小于90mm,这一尺寸远小于常规天平的长度(常规天平的长度与直径之比一般为6~10[1])。在小于90mm的尺寸上,除两端接头外,留给天平元件的长度仅为60mm,不足常规天平的一半。对内式天平而言,这个尺寸越短,俯仰力矩、偏航力矩对天平轴向力元件的破坏力就越大,且其它分量对轴向力分量的干扰就越大,对天平性能极为不利。加之天平设计载荷大。在这样短的尺寸上,既要保证天平刚度,与模型连接牢靠,拆卸方便,又要保证各元有足够的空间,布置合理,有比较好的性能,这就给天平设计带来相当大的难度。

　　1　天平元件设计

　　弹射救生系统模型外形复杂,属钝头体,气流易分离,且模型自重达12.5kg。因此,在风洞试验中,为了避免产生振动而损坏天平,天平要有足够大的刚度才可满足试验需要。同时,天平的刚度不足将导致模型在受载后天平与模型相碰而试验不能进行,以及导致天平各分量之间有较大的非线性干扰。根据各方面的综合分析考虑,充分利用模型纵向空间,天平总体布局如图2所示。该天平设计总体方案是采用前后对称的三片式梁结构,将天平Y、Mz、Mx、Z、My布置在元件两端,Y、Mz采用主梁的上下面来测量;Z、My用两侧小梁来测量;Mx采用主梁的长边测量,呈45°方向布置在梁中间,以求得最大的扭转变形;轴向力X放在元件中部,因尺寸限制,不做单独设计,用靠近元件对称中心的四片阻力支撑梁来测量。天平元件结构的主要尺寸如图3所示。从图3可见,采用这一设计总体方案,不仅缩短了天平的总体长度,而且还提高了天平的总体刚度