基于音爆测量试验的外式天平及支撑装置研制

Development of External Balances and Support Devices Based on Sonic Boom Measurement Test

摘要

为研究飞行器在超声速流场中的音爆特性，针对其气动力载荷的测量需求，研制了一套专用的外式天平及支撑装置，通过采用多部件耦合串联、设置新型混合式惠斯通测量电桥、开展有限元方法分析优化等手段，解决了“传统外式天平因模型压心严重偏离天平元件中心导致的天平力与力矩载荷不匹配”以及“多环节连接的固有间隙及耦合效应导致的联动及可靠性”问题，可在音爆测量风洞试验中通过惠斯通电桥的测量机理实现气动力分量的精确测量。结果表明，外式天平测量结果稳定可靠，能有效捕捉气动力变化，为音爆特性测量提供关键数据支撑。

Abstract

To study the sonic boom characteristics of aircraft in a supersonic flow field， a set of specialized external balance and support device was developed to meet the measurement requirements of aerodynamic loads. By adopting multi-component coupling series connection， setting a new type of hybrid Wheatstone measuring bridge， and conducting finite element method analyses and optimizations， two critical issues were resolved： the mismatch between force and moment loads caused by severe model center deviation from balance element centers in traditional external balances， and the interconnection and reliability issues stemming from inherent clearance and coupling effects in multi-linkage systems. The aerodynamic force component may be precisely measured by Wheatstone bridge's measuring mechanism during sonic boom measurement wind tunnel tests. The results show that the measurement results of the external balance are stable and reliable， and may effectively capture the changes in aerodynamic force， providing key data support for the measurement of sonic boom characteristics.

Graphical abstract

Author summay

贾巍，女，1985年生，硕士研究生、工程师。研究方向为风洞应变天平研制与运用。E-mail：[e-mail]。

0 引言

随着航空航天技术的迅速发展，自突破音障以来，欧美多国对音爆现象展开了系统研究。音爆是在空气中运动速度突破音障时产生冲击波而伴生的巨响，声音能量巨大，类似爆炸。当飞行器超声速飞行时，它产生的声波叠加形成锥形激波，能量聚集，传到地面，使耳鼓膜感受到空气压力突然增大，形成音爆。通常，超声速飞行器飞行时会形成两道激波，传到地面后能听见两声“爆炸”声。

21世纪以来，美、日先后进行了低音爆飞机的飞行演示，加速了超声速运输机研发计划，其中美国国家航空航天局（NASA）研发的X-59超声速飞机采用独特设计降低音爆噪声，国内对音爆相关技术进行了跟踪^［1-2］。我国现已具备超声速运输机研发的基础，由此产生了对低音爆设计和试验平台的强烈需求。本文研发的试验装置主要用于测量低音爆数据，能为低音爆设计提供稳定可靠的数据支撑。

1 试验装置研制

1.1 研制难点

当超声速气流流过模型时，模型表面会因激波、膨胀波等产生压力分布差异，形成气动力，结合这些气动载荷数据与同时测量的流场压力分布，可分析模型外形对激波强度、音爆特性的影响，为优化设计提供依据，因此，天平及装置的研制对本项目至关重要。本次天平及装置研究工作面临的主要难点如下：

1）根据风洞试验现场的实际工况^［3］，要求研制的试验测量装置属于外式天平范畴，其天平元件位于模型外，天平力矩参考点距离模型压心位置距离较大，法向力带来的附加力矩较大，导致力与力矩载荷不匹配^［4］。

2）基于试验方案需求（见图1），整个试验支撑装置各环节彼此串联，试验状态复杂，在试验过程中除变化模型自身姿态外，还需实现空间相对位置变换^［5］。因此，在满足试验状态要求的前提下，需通过设计手段使整套装置具有单一变化不发生联动变化属性，从而确保其连接可靠性。

1.2 研制主要内容

鉴于音爆现象与飞行器的气动力紧密相关，参试模型音爆测量试验时需要同步进行气动力测量，其目的是辅助分析激波与模型受力的关系。这些气动力通过模型传递到天平，相应的敏感元件（应变计）会因受力发生形变，通过布置的惠斯通电桥转化为对应的电信号输出，最终处理后得到模型所受气动力的具体数值。试验装置采用支撑机构+外式五分量天平进行组合测量。测量方案见图1，其中，外式五分量天平用于测量低音爆运输机标准模型气动力，其三维结构示意图见图2。在结构方面，力矩测量元件与力测量元件采用耦合串联式布局^［6］；在空间布局方面，力矩测量元件位于前端靠近模型处。

1.3 测量装置的主要组成部分

支撑装置的连接方案见图3，整套装置由天平、轴向调节装置、天平支杆、高度调节装置、风洞机构转接头连接而成。上述各部分彼此串联，同时在不同环节设置自身的基准测量平台，用于彼此监测调整，最终实现参试模型在轴向、法向不同位置的姿态切换和气动载荷的精确测量^［7-8］。

2 关键性技术手段

2.1 基于有限元分析改良的双桥测量方式

本项目天平的研制过程中，鉴于外式天平附加力矩大的实际情况，传统的惠斯通电桥拟合干扰系数过大（尤其是力载荷对力矩载荷的干扰系数），这一问题的出现制约着数据测量精准度^［9］。为此，将有限元分析应用于惠斯通电桥布置中，对传统的双电桥进行改造，获得一种新型混合桥路，具体组桥方式如图4所示^［10］。桥路输出增量计算如下：

\begin{array}{c}{F}_y=K_y\mathrm{\Delta }{U}_y+\cdots \\ M_{F_z}=K_{M_z}(\mathrm{\Delta }{U}_{M_z}-\mathrm{\Delta }{U}_{F_y}{K}_{\mathrm{1}})+\cdots \\ M_x=K_{M_x}\mathrm{\Delta }{U}_{M_x}+\cdots \\ F_z=K_z\mathrm{\Delta }{U}_z+\cdots \\ M_y=K_{M_y}(\mathrm{\Delta }{U}_{M_y}-\mathrm{\Delta }{U}_{F_z}{K}_{\mathrm{2}})+\cdots \end{array}

式中：F_y 、M_x 、F_z 分别为天平的法向力、滚转力矩及侧向力，均采用单电桥；M_z 、M_y 分别为俯仰力矩及偏航力矩，采用混合桥路；K_{F_y}、K_{M_z}、K_{M_x}、K_{F_z}、K_{M_y}分别为F_y 、M_z 、M_x 、F_z 、M_y 元的主项系数；K_{\mathrm{1}}、K_{\mathrm{2}}分别为F_y 、F_z 对应的修正系数；ΔU_i 表示i元（i=F_y，M_x，F_z，M_z，M_y ）的测量电桥输出电压值。

这种组桥方式的基本思路是^［11］：将校准中心设定在模型质心正上方（以下以法向力载荷为例来进行说明），在仅施加力载荷的情况下，根据有限元计算结果拟合修正系数K_{\mathrm{1}}、K_{\mathrm{2}}，从理论上减小力载荷对力矩载荷的干扰系数，然后在实际工况下根据天平校准标定的实际结果进行二次修正，最终给定参考值，以此达到提高数据测量精准度的目的。

图5所示为力载荷作用下的天平有限元分析结果。由图可知，在单独力载荷作用下，其法向力微应变为239、271，平均微应变为255，而力矩微应变为967，对应的法向力及俯仰力矩测量电桥输出为5.1 mV、19.34 mV。根据惠斯通电桥组合原理，在法向力载荷作用下，测量电桥中仅有法向力测量电桥对该载荷敏感，俯仰力矩测量电桥对该载荷不敏感。通过上述桥路组合方式可得出K_{\mathrm{1}}=19.34/5.1=3.7922。

2.2 嵌套组合式装置结构布局

2.2.1 “2+3”嵌套组合式测量元件

实际工况中天平元件设置在模型外，天平力矩参考点与模型压心位置距离较远，使得天平承载的附加力矩较大^［12］。这一现象导致的力和力矩载荷的匹配问题采用“2+3”嵌套组合方式解决，即位于前端的力矩元件和位于后端的力元件串联耦合，前者用于测量滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，后者用于测量法向力和侧向力。这样既有利于力和力矩载荷的合理匹配，又便于加工和粘贴。天平结构主要几何尺寸如图6所示。

2.2.2 多部件串联组合装配式支撑

常规支撑装置研制多采用一体化设计以保证各环节连接的可靠性，但鉴于本项目实际工况的复杂性要求，要实现参试模型姿态的变化和参试模型相对空间位置的变化，因此将整个支撑装置大体上分成轴向调节模块、法向调节模块、滚转姿态调节模块和机构固定模块。其中，轴向调节模块、法向调节模块和滚转姿态调节模块分别用于实现参试模型在固定空间中轴向、法向以及滚转姿态角的调节；多环节设置的基准检测平台确保检测安装基准，用于相互验证，彼此修正。此外，在法向调节模块侧面布置多个圆孔，用于削弱横向载荷的冲击作用。通过在各模块设置对应的定位装置或基准检测装置，确保各环节连接的可靠性及准确性。

2.3 柱梁结合的超静定测量元件结构

为了使“2+3”嵌套组合式测量元件的各分量均有合理的灵敏度输出，经过优化设计和有限元分析，力元件采用两组相互垂直的多柱超静定矩形梁结构，力矩元件采用单柱悬臂矩形梁结构^［6，13］。前者的优点在于中间柱梁在力载荷的作用下具有良好的应变特性，而在力矩载荷的作用下则不然；后者的优点则与之相反。此外，这两种结构元件都具有结构紧凑、刚度大、分量相互干扰小、粘贴工艺和机加工工艺性好的特点。

3 应用效果

近年在某超声速风洞顺利完成低音爆试验平台多期风洞试验验证，证实了建立低音爆试验平台系统的可行性。

参试模型来自第二届AIAA声爆预测研讨会（The Second AIAA Sonic Boom Prediction Workshop）美国提供的低音爆标准模型^［14-15］（图7），其外形具备N+2代超声速民机的主要特征，三维模型向全世界开放，同时公布了典型的试验结果和数值计算结果。通过开展不同期重复性验证试验，测试多期试验数据的一致性，确保试验平台的稳定性^［16］。表1给出了计算流体力学（CFD）与风洞试验升力系数结果对比，在马赫数Ma=1.6、攻角α=2.3°的条件下，升力系数的CFD结果与风洞试验结果相差0.005；在Ma=1.8、α=2.0°的条件下，升力系数的CFD结果与风洞试验结果相差0.005；在Ma=2.0、α=1.5°的条件下，升力系数的CFD结果与风洞试验结果相差0.012。对比分析可知，二者结果一致性良好，变化规律合理，天平数据稳定。

4 结论

1）基于有限元分析改良的双桥测量方式设计合理，为今后外式天平及铰链力矩天平的电桥设计方法开辟了新的技术途径。

2）嵌套串联组合式的装置结构布局满足了复杂多变的不同试验状态要求，解决了模型姿态及相对位置的变化等问题，有利于试验效率的提高，具有实际的应用价值和较大的应用前景。

3）多环节基准平台的设置可实现彼此监测及验证，确保了整套装置安装和使用过程中的准确性、可靠性。

总之，本项试验装置的研制取得了令人满意的效果，能在音爆测量试验中提供性能稳定、测值精确可靠的气动力数据，能有效为低音爆试验平台系统的顺利开展提供基础数据支撑，满足其方案在不同设计阶段的试验数据测量需求。

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