一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置的制作方法

本实用新型是涉及一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置，，属于实验空气动力学测量领域。

背景技术：

飞行器舵面铰链力矩试验是飞行器气动设计阶段重要的风洞试验项目之一，其目的在于测定飞行器各操纵面的气动力、相对于转轴的铰链力矩以及舵面的展向和弦向压心，它是选择舵面形状以及舵轴位置的依据。对于融合体布局飞行器由于操纵面较为扁平导致安装空间狭小，通常采用片式天平进行测量。片式天平设计成六分量载荷是非常困难的，通常是具有三分量载荷，即是测量相对于天平自身坐标系的法向力CN、铰链力矩MH和弯矩MX，为了保证天平坐标系和舵面坐标系重合常采用的方法是把天平放在舵面中间，这样一个舵偏角就需要设计加工一个天平，大大增加了试验的复杂度。还有的情况是对于特殊构型的融合体布局飞行器测量舵面空间狭小到即使片式天平也难以设计安装，只能把三分量片式天平固定在风洞试验模型本体上，当舵面带有舵偏角时舵面坐标系与天平坐标系不重合时，由于载荷分量的不完备性无法由天平坐标系下的三分量载荷精确变换到舵面坐标系下的三分量载荷，结果是仅能精确得到舵面的MH载荷分量，其它载荷分量以及气动力的压心无法精确得到。

技术实现要素：

本实用新型要解决的问题：克服现有技术不足，提供一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置，解决常规方法测量扁平舵面每个舵偏角需要设计一个天平，试验周期长试验成本高的问题，以及特殊融合体布局飞行器由于铰链力矩天平安装空间狭窄的限制常规方法仅能得到MH载荷分量而无法精确得到舵面气动力压心的问题

本实用新型要解决的技术方案：一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置，包括：板状连接件(1)、弹性梁(2)、支座(3)、应变片(4)；弹性梁(2)的一端与板状连接件(1)相连，弹性梁(2)的另一端与支座(3)相连；支座(3)安装在飞行器机翼内部且与机翼固定连接；板状连接件(1)、弹性梁(2)安装在机翼内部且不与机翼接触；应变片(4)位于弹性梁(2)的两端，且与弹性梁(2)贴合。机翼为中空结构，弹性梁(2)为方梁，数量为1个或多个，支座(3)为矩形片时，弹性梁(2)的另一端与支座(3)的长边和厚度形成的平面相连，且支座(3)的厚度c3是弹性梁(2)厚度c2的2倍及以上，弹性梁(2)的长度a2是支座(3)短边长度a3的1及以上。板状连接件(1)为矩形，弹性梁(2)的一端与板状连接件(1)的长边和厚度形成的平面相连，且板状连接件(1)的厚度c1是弹性梁(2)厚度c2的2倍及以上，板状连接件(1)长度a1是弹性梁(2)宽度b2的1倍及以上。支座(3)的长边b3以及板状连接件(1)的长边b1均要不小于所有弹性梁(2)宽度b2之和的1.5倍。板状连接件(1)能够与待测融合体布局飞行器舵面固定连接。板状连接件(1)能够可拆卸的与不同角度的待测融合体布局飞行器舵面连接。待测融合体布局飞行器舵面为片状，待测融合体布局飞行器舵面的根部能够和板状连接件(1)相连接。布置在弹性梁(2)两端的应变片(4)厚度不超过0.02mm，应变片(4)平面尺寸不小于2×2mm。

本实用新型的测量装置具有如下优点：

(1)本实用新型的测量装置是片式结构尺寸小，能够用于安装空间狭窄的扁平舵面铰链力矩测量试验；

(2)本实用新型的测量装置通过校准双天平公式能够得到五分量载荷CN、CA、MX、MY和MH；

(3)本实用新型的测量装置能够用于不同舵偏角度的扁平舵面的铰链力矩测量，避免了常规方法每个舵偏角均需要与舵面一体加工铰链力矩天平的麻烦；

(4)本实用新型的测量装置能够应用于融合体布局飞行器舵面内部空间狭窄无法安装天平的情况，能够准确测量舵面气动力的压心，解决了采用常规三分量载荷天平固定在模型本体上，当舵面坐标系与天平坐标系不一致时只能精确测量MH载荷分量的不足。

附图说明

图1为铰链力矩天平坐标系与舵面坐标系关系图；

图2为铰链力矩天平的两个坐标系的关系图；

图3为单个铰链力矩天平校准两套天平公式的坐标系关系图；

图4(a)为第一视角飞行器铰链力矩的测量装置示意图；(b)第二视角视飞行器铰链力矩的测量装置示意图；

图5为铰链力矩天平测量舵面铰链力矩的流程图。

具体实施方式

本实用新型的基本思路为：提出了一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置，通过设计片式的具有CN、MX、MH三分量载荷的小尺寸的测量装置即铰链力矩天平，结合单个天平分别校准两个原点及Z轴重合且X和Y轴呈一定夹角θ的坐标系下的天平公式转换得到包含CA和MY五分量载荷的方法，解决了常规铰链力矩测量时每个舵偏角均需与舵面一体加工天平从而导致试验周期长成本高昂的问题以及舵偏内部空间过于狭窄安装不下天平而只能把天平固定机翼内部仅能精确得到MH载荷分量而无法精确得到气动力压心的问题。

以下结合附图和具体实施实例对本实用新型的测量装置做进一步详细说明。

设计的一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置，其如图4的(a)、(b)所示，组成部分主要包括：板状连接件1、弹性梁2、支座3、应变片4；测量装置的材料采用的是具有高强韧性的马氏体时效钢00Ni18Co8Mo5TiAl，用其加工的测量装置具有精度高重复性好的特点；弹性梁2的一端与板状连接件1相连，弹性梁2的另一端与支座3相连；支座3安装在飞行器机翼内部且与机翼固定连接；板状连接件1、弹性梁2安装在机翼内部且不与机翼接触；应变片4位于弹性梁2的两端，且与弹性梁2贴合；机翼设计为中空结构，为在其内部安装测量装置预留空间，在风洞试验时保证气流不会直接作用到测量装置上；本实例弹性梁2为方梁，方梁的应变特征明显，其上的平面也利于粘贴应变片，本实例气动载荷偏小，要求的灵敏度高，因此弹性梁设计为两个；支座3设计为矩形片，弹性梁2的另一端与支座3的长边和厚度形成的平面相连，支座3的厚度c3是弹性梁2厚度c2的2.5倍，弹性梁2的长度a2是支座3短边长度a3的1.5倍，尺寸限制的主要目的是减小支座尺寸满足小空间安装的同时又不使安装支座产生的应变干扰弹性梁2，从而保证测量装置零点输出的稳定性；板状连接件1为矩形，弹性梁2的一端与板状连接件1的长边和厚度形成的平面相连，且板状连接件1的厚度c1是弹性梁2厚度c2的2.5倍，板状连接件1长度a1是弹性梁2宽度b2的1.5倍，尺寸限制的目的是既要减小板状连接件1的尺寸，满足小空间的安装要求，又要保证安装舵面时安装应力不干扰到弹性梁2，从而保证测量装置零点输出的稳定性，由于安装空间尺寸的限制，板状连接件1的外侧加工了L型平台，用于与舵面配合面安装时不增加板状连接件1的厚度；支座3的长边b3以及板状连接件1的长边b1相等，且是所有弹性梁2宽度b2之和的3倍。板状连接件1能够与待测融合体布局飞行器舵面固定连接，而且能够可拆卸的与不同角度的待测融合体布局飞行器舵面连接；待测融合体布局飞行器舵面为片状，待测融合体布局飞行器舵面的根部加工有相反的L型平台和板状连接件1的L型平台配合连接，通过L型平台配合使板状连接件1和飞行器舵面配合后板状连接件1的厚度不增加；布置在弹性梁2两端的应变片4厚度为0.01mm，紧密贴合在弹性梁两端的平面上使应变片的应变与弹性梁的应变跟随性好，应变片4平面尺寸为2×4mm，在尺寸允许的情况下较大尺寸的应变片粘贴时容易保证粘贴的位置或粘贴的角度准确。

铰链力矩天平即为一种测量融合体布局飞行器舵面铰链力矩的测量装置。

以下结合附图和具体实施实例对本实用新型的测量装置测量铰链力矩的步骤进一步详细说明，如图5所示。

(1)某融合体布局模型铰链力矩试验要求测量扁平舵面0°～10°舵偏角时的铰链力矩及压心，由于测量空间限制采用了具有CN、MX、MH三分量载荷的片式天平固定在机翼内部，设计带不同舵偏角的舵面与铰链力矩天平连接，如图2所示，对铰链力矩天平进行天平公式校准时校准两套天平公式，两套天平公式的坐标系关系为原点和Z轴重合，且原点位于待测融合体布局的舵面的铰链轴中心，将天平公式1和2的坐标系Z轴与待测融合体布局的舵面的铰链轴重合；天平公式1坐标系X轴X1与铰链力矩天平的弹性梁平行，并指向气流反方向；天平公式1坐标系的Y轴符合右手定则，如图2所示；

如图3所示，本实例天平公式2坐标系通过天平公式1坐标系绕天平公式1坐标系的Z轴转夹角-10°得到；

(2)某次吹风试验时测量舵偏δ＝5°，多个迎角α°下的天平的跑码值如表1：

表1天平跑码值(mv/v)

根据跑码值用两套天平公式分别计算出天平公式1的坐标系下的载荷分量CN1、MX1、MH1和天平公式2的坐标系下的载荷分量CN2、MX2和MH2，见表2：

表2在天平坐标系1和坐标系2下的载荷(kg或kg·m)

(3)由于同一矢量在不同坐标系下表示是等价的，因此根据力系的分解规则有如下关系：CN2＝CN1·cosθ+CA1·sinθ

MX2＝MX1·cosθ+MY1·sinθ

由上述关系于是得到，

CA1＝(CN2-CN1·cosθ)/sinθ

MY1＝(MX2-MX1·cosθ)/sinθ

于是求解得到天平公式1的坐标系下的载荷CA1和MY1，如表3：

表3求得的载荷(kg或kg·m)

至此，得到天平公式1的坐标系下的五分量载荷CN1、CA1、MX1、MY1和MH1；

(4)如图1所示天平坐标系O1-X1Y1Z1和舵面坐标系O3-X3Y3Z3的关系，天平校准中心在铰链轴上，绕Z轴的夹角即是舵偏角为δ＝5°，根据力系的分解规则载荷由天平坐标系O1-X1Y1Z1转到舵面坐标系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，常规方法中当天平只有三分量载荷CN1、MX1、MH1，而CA1和MY1是未知的，当舵面带角度即δ不为0°时仅能得到MH3，而不能得到CN3和MX3，因而也无法得到弦向和展向压心等重要参数。

(5)根据步骤(3)的五分量载荷CN1、CA1、MX1、MY1、MH1和步骤(4)的变换关系及δ＝5°，得到舵面坐标系的五分量载荷CN3、CA3、MX3、MY3和MH3，如表4：

表4由天平坐标系1转换到舵面坐标系下的载荷(kg或kg·m)

至此，通过本实用新型的方法采用三分量载荷铰链力矩天平求得了舵面坐标系下的五分量载荷，进一步由MH3和CN3根据公式XCP＝MH3/CN3得到弦向压心XCP，由MX3和CN3根据公式XCP＝MX3/CN3得到展向压心ZCP。

以上所述仅为本实用新型的一个具体实施例子，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合均属于本实用新型保护的范围。