应用于低密度风洞的小量程高升阻比测力天平的制作方法

本发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种应用于低密度风洞复杂升力体外形模型气动力测量的小量程高升阻比测力天平。

背景技术：

低密度风洞是研究稀薄气动特性的重要试验设备，用以模拟航天器高空、高速飞行状态，开展航天器模型在滑移流区、过渡流区气动特性试验研究，以及稀薄气体动力学有关问题的试验研究。

随着高超声速复杂外形飞行器的快速发展，飞行器在稀薄过渡流区、滑移流区飞行的时间大幅度增加，强粘性干扰对其气动力特性(阻力系数、升阻比等)有很大的影响，需在低密度风洞中开展气动力试验来准确预测其气动力特性。该类飞行器采用升力体外形来实现长距离滑翔，其气动载荷极不匹配，与以往低密度风洞常规测力试验模型相比，一方面要求精确测量的分量更多，以往低密度风洞试验模型一般为简单的旋成体，只需精确测量纵向三分量，而升力体模型外形复杂，且要求精确测量六分量载荷；另一方面由于升力体外形模型气动载荷极不匹配，其法向载荷和俯仰力矩载荷相对较大，轴向载荷、滚转力矩等相对较小。以往测力天平元件设计一般采用复合式天平元件布局，轴向力元件居于天平的设计中心，测量梁方向与法向载荷方向相同，则轴向分量输出受大法向/俯仰力矩分量干扰严重，难以满足升力体外形模型气动力的高精度测量要求。用对称设置在天平设计中心前后的天平测量元件同时测量除轴向力外的其余分量的载荷，由于天平测量元件同一截面要测量多个空气动力载荷，则较小的滚转力矩分量灵敏度偏低，受法向分量干扰严重，难以满足升力体外形模型气动力的高精度测量要求。

低密度风洞气动力测量具有载荷小、模型小、流场温度高、干扰信号强的特点，而升力体外形模型的高升阻比特性还会引起严重的各分量载荷匹配问题。为了实现对升力体外形模型气动力的精细测量，测力天平必须解决大法向载荷对轴向分量、滚转力矩分量的干扰、高温流场对天平的温度效应等难点问题。

在低密度风洞中进行测力试验时，流场总温较高(600K-1700K)，试验模型受流场加热后温度较高，会通过模型与天平的连接部位将热传导给天平元件，另一方面由于天平尾支杆暴露在高温流场中被加热，热量也会通过尾支杆传给天平元件，对测力天平的输出造成很严重的温度干扰，直接影响到试验数据的可靠性。传统的防热措施是在天平与模型之间设置隔热衬套，将天平元件包裹起来，使天平测量元件与环境温度尽量隔绝起来，使应变片在温度场相对稳定的正常温度范围内工作，此种方法要求有较大的模型内部空间，但对于低密度风洞升力体外形模型来说缩比后尺寸较小，可供天平安装的空间狭小，很难实现隔热衬套的安装；对于暴露在流场中的尾支杆一般在试验时在其表面缠绕几层隔热布，以阻断高温气流对天平支杆的加热，但由于是手工临时缠绕，表面比较粗糙，且不好固定，试验时容易被气流吹掉，经常需开风洞试验段门重新缠绕，影响试验效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种小量程高升阻比测力天平，解决常规测力天平轴向载荷、滚转力矩测量精度不足的缺点以及小尺寸模型防隔热措施难以实现的难题，满足复杂升力体外形航天飞行器低密度风洞气动力试验测量要求。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于低密度风洞的小量程高升阻比测力天平，包括：天平主体，其上依次设置有模型连接端、第一组合测量元件、轴向力测量元件、滚转力矩测量元件、第二组合测量元件和支杆；

所述模型连接端具有锥面结构；所述模型连接端的一端设置有拉紧螺杆；所述模型连接端上设置有定位键；

所述第一组合测量元件为单柱梁式组合测量元件；所述单柱梁式组合测量元件的四个面上均安装有电阻应变计；所述第一组合测量元件为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩组合测量元件；

所述轴向力测量元件为“I”字形竖直梁式结构，所述轴向力测量元件包括：圆柱体基体和设置在圆柱体基体内的支撑梁和测量梁；所述圆柱体基体被一条穿过轴向力测量元件中心的上下贯穿的斜槽分为两部分；所述测量梁和支撑梁将两部分连成一个整体；所述轴向力测量元件的测量梁上安装电阻应变计；

所述滚转力矩测量元件为“小”字型三柱梁式结构；所述“小”字型三柱梁式结构的中间梁纵向方向取较大的厚度，左右对称的两个柱梁垂直布置，纵向方向取较小的厚度；所述两个柱梁上安装电阻应变计；

所述第二组合测量元件为单柱梁式组合元件；所述单柱梁式组合测量元件的四个面上均安装有电阻应变计；所述第二组合测量元件为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩组合测量元件；

所述支杆包括依次设置的支杆等直圆柱段、支杆圆锥端和支杆连接端；所述支杆圆锥端上设置有定位键槽。

优选的是，所述滚转力矩测量元件的中间梁从纵向分成两根梁，两梁相距1mm。

优选的是，所述轴向力测量元件的支撑梁和测量梁方向采用横向布置与法向载荷垂直。

优选的是，所述轴向力测量元件由2根测量梁和8根支撑梁组成；所述支撑梁每2根平行并联在一起，并分别对称设置在天平纵向对称面的两侧和轴向元件中心的前后；所述测量梁通过轴向力测量元件的中心垂直天平轴线并关于天平纵向面对称。

优选的是，所述模型连接端上设置有隔热衬套；所述隔热衬套的外表面加工成锥面与模型连接端的锥面结构相配合，所述隔热衬套的内表面加工成柱面与模型连接端过盈配合，所述定位键穿过隔热衬套与天平过盈配合而固连在天平上。

优选的是，所述支杆上通过高温层压固化技术固定设置有隔热布。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的小量程高升阻比测力天平的设计载荷及外形尺寸完全满足大升力体复杂外形模型低密度风洞测力试验要求，属专用天平，该天平有效地提高了低密度风洞的试验能力，同时本发明提高了轴向力测量精度和抗干扰能力；提高了滚转力矩灵敏度和测量精度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述应用于低密度风洞的小量程高升阻比测力天平的整体结构示意图；

图2为本发明所述轴向力测量元件的结构示意图；

图3为图2中A-A剖面的示意图；

图4为本发明所述组合测量元件、滚转力测量元件的结构示意图；

图5为图4中B-B剖面的示意图；

图6为图4中C-C剖面的示意图；

图7为模型连接端的隔热衬套结构示意图；

图8为支杆的隔热结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

升力体复杂外形决定了其气动力特性的高升阻比特点，其气动载荷极不匹配，法向力和俯仰力矩载荷相对较大，轴向载荷、滚转力矩等相对较小。传统天平元件布局一般采用复合式天平元件布局，用对称设置在天平设计中心前后的天平测量元件同时测量除轴向力外的其余五个分量的载荷。由于高升阻比测力天平各分量的设计量程很不匹配，若按照传统天平元件布局来设计高升阻比测力天平，在同一截面测量多个空气动力载荷，则对较小的滚转力矩来说元件刚度偏大，灵敏度偏低，难以获得理想的滚转力矩信号输出。为了提高滚转力矩元件测量灵敏度，在高升阻比测力天平元件布局时，滚转力矩元件结构可像轴向力元件那样设置成独立的元件，与轴向力元件和组合测量元件进行串联布局，这样滚转力矩的测量是独立的，只对欲测的滚转力矩较敏感，而对其它分量的载荷则相对不敏感，因此容易获得所要求的灵敏度和较小的相互干扰，从而提高其测量精度。为了减小相对较大的法向力和俯仰力矩载荷对轴向力分量和滚转力矩分量的干扰，将轴向力测量元件和滚转力矩测量元件设置在天平测量元件中间，两端对称设置组合测量元件，用于测量除轴向力和滚转力矩之外的其余四个分量。

图1～6示出了本发明的一种应用于低密度风洞的小量程高升阻比测力天平，包括：天平主体，其上依次设置有模型连接端4、第一组合测量元件5、轴向力测量元件6、滚转力矩测量元件7、第二组合测量元件50和支杆；

所述模型连接端4具有锥面结构；所述模型连接端4的一端设置有拉紧螺杆1；所述模型连接端4上设置有定位键2；

所述第一组合测量元件5为单柱梁式组合测量元件；所述单柱梁式组合测量元件的四个面上均安装有电阻应变计；所述第一组合测量元件5为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩组合测量元件；

如图2～3所示，所述轴向力测量元件6为“I”字形竖直梁式结构，所述轴向力测量元件6包括：圆柱体基体63和设置在圆柱体基体63内的支撑梁61和测量梁62；所述圆柱体基体63被一条穿过轴向力测量元件6中心的上下贯穿的斜槽64分为两部分；(本文所提的“上”是指如图1所示定位键2向上为“上”)所述测量梁62和支撑梁61将两部分连成一个整体；所述轴向力测量元件6的测量梁62上安装电阻应变计；

所述滚转力矩测量元件7为“小”字型三柱梁式结构；所述“小”字型三柱梁式结构的中间梁71纵向方向取较大的厚度，左右对称的两个柱梁72垂直布置，纵向方向取较小的厚度；所述两个柱72梁上安装电阻应变计；为了减小法向(俯仰力矩)载荷对其的干扰，提高其纵向刚度，中间梁纵向方向(法向方向)取较大的厚度，左右对称的两个柱梁垂直布置，纵向方向取较小的厚度，应变片安装于左右对称的两个柱梁上，在滚转力矩载荷的作用下，产生弯曲与扭转的复合变形，利用弯曲变形测量滚转力矩。

所述第二组合测量元件50为单柱梁式组合元件；所述单柱梁式组合测量元件的四个面上均安装有电阻应变计；所述第二组合测量元件为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩组合测量元件；

所述支杆包括依次设置的支杆等直圆柱段9、支杆圆锥端10和支杆连接端12；所述支杆圆锥端10上设置有定位键槽11。

在本发明中，为提高测力天平与支杆之间的安装定位精度，避免装配应力传递到天平元件上，并防止机械连接松动而产生的测量误差，天平测量元件与支杆一体化设计加工，由整块材料加工而成。

在上述技术方案中，天平测量元件(包括第一组合测量元件5、轴向力测量元件6、滚转力矩测量元件7、第二组合测量元件50)横向对称轴与纵向对称轴的交点为天平设计中心。第一组合测量元件5和第二组合测量元件50均为单柱梁式组合元件，关于天平设计中心对称布置。这种组合元件结构形式的优点是结构简单，刚度大，加工容易，灵敏度高。第一组合测量元件和第二组合测量元件的四个面上均安装有电阻应变计，通过电阻应变计组成惠斯顿电桥将测量梁的应变值转换成电信号输出，然后根据天平使用公式获得作用在飞行器模型上的气动载荷，完成除轴向力和滚转力矩外的其余四个分量的测量。

在上述技术方案中，如图4～6，所述滚转力矩测量元件7的中间梁71从纵向(法向方向)分成两根梁，两梁相距1mm。采用这种方式，降低了中间梁相对滚转力矩分量的刚度，提高滚转力矩测量梁的灵敏度，保持其纵向方向的厚度，减小其Z方向的厚度，这样，滚转力矩元件既有较好的纵向承载能力，又有相对较高的滚转力矩测量灵敏度。

在上述技术方案中，所述轴向力测量元件6的支撑梁61和测量梁62方向采用横向布置与法向载荷垂直。为了进一步减小大法向载荷对其的干扰，支撑梁61和测量梁62方向采用横向布置与法向载荷垂直，以提高其抗法向载荷干扰的能力。

在上述技术方案中，所述轴向力测量元件由2根测量梁和8根支撑梁组成；所述支撑梁每2根平行并联在一起，并分别对称设置在天平纵向对称面的两侧和轴向元件中心的前后；所述测量梁通过轴向力测量元件的中心垂直天平轴线并关于天平纵向面对称。支撑梁一方面起支撑作用，提高天平的刚度，另一方面起消扰作用，减小法向载荷对轴向力测量元件的干扰，同时又起传力作用，将作用在模型上的空气动力载荷传给测量元件。支撑梁每2根平行并联在一起，并分别对称设置在天平纵向对称面的两侧和轴向元件中心的前后；测量梁通过轴向力元件的中心垂直天平轴线并关于天平纵向面对称，每根测梁上均安装有电阻应变计，通过电阻应变计组成惠斯顿电桥将测量梁的应变值转换成电信号输出，然后根据天平使用公式得到作用在飞行器模型上的轴向载荷，完成轴向载荷的测量。

在上述技术方案中，所述模型连接端上设置有隔热衬套；所述隔热衬套的外表面加工成锥面与模型连接端的锥面结构相配合，所述隔热衬套的内表面加工成柱面与模型连接端过盈配合，所述定位键穿过隔热衬套与天平过盈配合而固连在天平上。

在上述技术方案中，所述支杆上通过高温层压固化技术固定设置有隔热布。

由于试验流场总温较高，试验时高温气流一方面通过试验模型将热传导给天平元件，另一方面由于测力天平支杆暴露在高温流场中被加热，热量也会通过支杆传给天平元件，若不采取相应的措施，天平测量元件温度会升高，从而使安装其上的应变计产生热输出而给测量带来一定的误差，影响测量结果，这就是测力天平的温度效应。要减小甚至消除测力天平的温度效应，一方面要阻止试验模型对测力天平的传热，另一方面要阻断高温气流对支杆的加热。试验模型是通过模型连接端将热传导给测力天平的，则可以在模型与模型连接端之间设计一隔热衬套3，但由于受模型空间的限制，天平与模型之间不可能采取复杂的隔热措施，为了能达到隔热效果，且又简单易行，可设计一个简单的隔热衬套固连在天平上，隔热衬套外表面加工成锥面与模型连接端的锥面结构相配合，内表面加工成柱面与模型连接端4过盈配合，天平与模型的定位键2穿过隔热衬套与天平过盈配合而固连在天平上。这样既便于安装，又起到了隔热的效果，以阻止试验模型将热传导给天平元件，见图7。为了阻断高温气流对天平支杆的加热，以往采用手工临时在暴露高温流场中的天平支杆外表面缠绕几层隔热布，常因缠绕不牢靠而被试验气流吹掉。为了解决此弊端，在天平加工时就将暴露在高温流场中的天平支杆(包括支杆等直圆柱段9和圆锥段10)采用高温环氧树脂胶作为粘接剂，利用高温层压固化技术将隔热布固定在尾支杆上，使其与测力天平支杆成为一体，避免了因手工缠绕隔热布不牢靠而被试验气流吹掉的弊端，同时由于采用的是高温层压固化技术，表面也相对光滑，且厚度均匀，见图8。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。