一种雷达天线旋转工作时动态气动力的风洞试验测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及风洞试验测量装置及测量方法，尤其是一种雷达天线旋转工作时动态气动力的风洞试验测量装置及其测量方法。

背景技术：

当今，雷达已广泛应用于探测陆地、空中、海上、太空目标，雷达天线是雷达防御系统中重要组成部分之一，其所受气动力的风洞测试水平直接影响雷达天线设计水平和雷达测量精度。气动载荷是影响雷达天线稳定工作和电性能的主要载荷，在气动载荷的作用下，雷达天线(反射面或阵面)形状会偏离原来的设计形状，轻则导致雷达天线停机率升高，重则会导致传输数据失真和雷达天线设备的倾覆。因此，在雷达天线结构设计初期需对雷达天线在可工作风速范围内和当地极限风速下所受气动载荷，尤其是针对雷达天线旋转时的动态气动力和力矩进行风洞试验。所有在露天环境中工作的雷达天线，特别是在扫描方式中包含有机械旋转扫描的雷达天线，都需要考虑由气动载荷过大或不平衡引起的雷达天线表面变形和天线设备的倾覆，以及对天线驱动电机的选用功率和扭矩的影响。

现有估算雷达天线旋转时动态气动力的风洞试验方法是：首先，在风洞中测量雷达天线多个方位角下的静态气动力值；其次，利用半经验公式将雷达天线静态气动力数据转换为雷达天线旋转时的动态气动力估算数据；最后，并将所得数据拟合，绘制出雷达天线旋转时的动态气动力数据随方位角的变化规律曲线，从而估算得到雷达天线旋转状态下动态阻力和倾覆力矩等关乎设备安全稳定运行的重要气动参数。现有测量雷达天线旋转时动态气动力的风洞试验方法是：通过采集电机输出力矩值，得出天线转动过程中的旋转风力矩，这种方法无法获得风阻等其他力和力矩数据。现有雷达天线旋转动态气动力数值模拟方法是：通过数值模拟软件对模型周围流体所遵循的流体力学方程进行数学求解，得到不同工况下雷达天线整体气动力数据，可同时借助图像处理软件将模型周围流场的计算结果表示出来。

现有技术存在以下缺点：

1、由于原有风洞测试手段和条件的限制，无法准确的获取雷达天线旋转时的动态气动载荷，使得现有雷达天线旋转动态气动力数据无法直接通过风洞试验得到；现有的雷达天线旋转试验只是通过对旋转电机输出的力矩值折算成雷达天线转动过程中的旋转风力矩，并不是通过天平直接测量气动力，且无法获得六个气动力分量，所得数据不够全面；

2、现有半经验公式是通过雷达天线静态气动力数据，估算出雷达天线旋转时的动态气动力数据。而一般在雷达天线静态气动力测量随方位角变化风洞试验时，方位角的最小间隔取5°，这就导致通过静态气动力风洞试验中获取的雷达天线气动力数据无法连续覆盖所有方位角，且获得的数据是离散的；从而导致所估算出的动态气动力数据无法准确体现出峰值气动力出现时所对应的雷达天线所处方位角，不利于实际雷达天线的研发；且现有半经验公式只适用于形状规则且几何对称的雷达天线动态气动力数据估算，在外形相对复杂的雷达天线气动力的获取和研究方面有较大局限性；

3、现有雷达天线气动力方面的数值模拟方法需要对雷达天线模型进行诸多简化，而对于边界条件和湍流模型的选取，不同的选择对所得模拟结果有较大影响；而且由于数值模拟需要对雷达天线周围实际流场进行网格离散化，这就使数值模拟数据相较于真实数据可靠性较低。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种雷达天线旋转工作时动态气动力的风洞试验测量装置及其测量方法，该测量装置及方法能实现雷达天线旋转时动态气动力的实时测量，具有较高的测量效率和数据精确度，对雷达天线形状的适用范围广。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的风洞试验测量装置，包括模型旋转控制系统、模型支撑及姿态调整装置、天平测力系统；模型旋转控制系统包括电机、编码器和伺服控制器；模型支撑及姿态调整装置包括模型支撑杆、支杆座和仰角定位装置；天平测力系统包括应变，模型支撑及姿态调整装置设置在电机上；天平将监测到的模型气动力数据转换成电压信号，并将电压变化值传给计算机。

进一步地，为了提高雷达天线模型和驱动其转动的电机的连接牢固度和转矩传递的准确度，将雷达天线模型通过俯仰角调节机构与模型支撑杆的一端固定，模型支撑杆的另一端通过联轴器与电机输出轴相连。

进一步地，为了防止模型旋转控制系统及天平测力系统影响风洞试验段流场品质，干扰试验结果。将雷达天线模型及模型支撑杆安装在风洞试验段内部，模型旋转控制系统及天平测力系统安装在风洞试验段外部。

进一步地，模型旋转控制系统还包括传动轴、编码器；天平测力系统还包括信号放大器、数据采集卡。

进一步地，所述天平为六分量天平。

本发明所述的风洞试验测量方法包括以下步骤：

(1)安装雷达天线模型，将雷达天线模型仰角调节至测试所需角度；

(2)旋转控制系统中的计算机以“点动方式”调整雷达天线模型方位角至编码器参考零点，并确定模型方位角与编码器间的对应关系；

(3)给驱动模型旋转的电机通电，利用伺服控制器控制电机旋转，使雷达天线模型达到所需转速，待转速稳定后，通过与天平连接的数据采集电脑，采集雷达天线模型在风速为零时的惯性力数据和力矩数据；

(4)开启风洞，使风速达到对应工况所需风速；调整雷达天线模型转速至对应工况所需转速，待模型转速稳定后，利用计算机数据采集系统同步采集模型旋转多个周期时间内天平输出的电压信号和编码器输出的模型方位角数据。

其中所述步骤(3)将模型罩在密闭中，在近真空情况下进行。

进一步地，将步骤(4)中天平采集的数据减去雷达天线模型在对应工况无风时所受的附加载荷，得到雷达天线模型在各试验工况下所对应的真实气动力数据。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明可实现雷达天线旋转时动态气动力的实时测量，得到气动力随时间和方位角的变化值；

2、本发明可以覆盖雷达天线旋转动态气动力360°方位角下的动态气动力数据，模型方位角数据采集精度可控制在0.1°～0.5°以内；同时，具备连续同步采集动态气动力数据和与其对应雷达天线所处方位角数据的功能；所得气动力数据可直接应用于雷达天线外形设计和雷达天线伺服系统选型，避免了通过半经验公式估算雷达天线旋转时动态气动力数据所产生的误差；

3、本发明适用于各类雷达天线旋转动态气动力风洞试验的测量，对雷达天线形状的适应性更好；

4、本发明可以为旋转雷达天线设计和生产提供必要且可靠的气动力数据支持，同时为雷达天线旋转动态气动力数值模拟结果的验证提供试验数据支撑。

附图说明

图1(a)为在风轴坐标系中，雷达天线运动姿态和气动参数定义示意图侧视图；

图1(b)为在风轴坐标系中，雷达天线运动姿态和气动参数定义示意图主视图；

图1(c)为在风轴坐标系中，雷达天线运动姿态和气动参数定义示意图俯视图；

图2为本发明风洞试验测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

为获得雷达天线整体所受气动力及力矩随雷达天线运动状态和姿态的变化，现将风轴坐标系中，雷达运动姿态和气动参数按图1所示定义，天线仰角为α，天线方位角为β，雷达天线模型转速为n。以风轴坐标系测量作用在天线模型的上的空气动力载荷，三个力分量是阻力fd(drag)、升力fl(lift)和侧向力fs(side)，三个力矩分量是滚转力矩mr(rolling)、方位力矩ma(azimuth)和倾覆力矩mo(overturning)，风向取为水平。

如图2所示，本发明所述的雷达天线旋转工作时动态气动力的风洞试验测量装置包括模型旋转控制系统1、模型支撑及姿态调整装置2、天平测力系统3。模型旋转控制系统包括电机11、伺服控制器12、传动轴、编码器13、联轴器；其中，伺服控制器12用于比较位置命令和编码器位置/速度信息并控制驱动电流；电机11用于驱动模型旋转；编码器13用于将模型的旋转位移转换成一串数字脉冲信号，这些脉冲能可用来获取雷达天线模型的角位移，能够实现实时追踪和记录模型的转动信息。编码器13每经过参考点14一次，就将参考零点位置修正进计数设备中。

该模型旋转控制系统能够实现模型的正转和反转，使电机转速满足雷达天线风洞试验所需转速，转速控制精度高；具有点动(给定方位角)和连动(连续旋转)两种控制方式，且具有较大转速控制范围，可实现风洞试验模型与现有雷达天线具有相同的旋转参数(缩减频率k)。所述缩减频率k的计算公式为：

其中，n为模型转速(r/min)；d为模型参考长度(m)；v为来流速度(m/s)。

模型支撑及部件姿态调整装置2包括模型支撑杆21、联轴器22、支杆座和仰角定位装置；雷达天线模型10与模型支撑杆21的一端连接，模型支撑杆21的另一端通过联轴器22与电机11输出轴相连；模型支撑及部件姿态调整装置2安置在图2中电机11上。该系统通过固定销与仰角定位装置的不同组合来改变模型的俯仰角，可以满足大部分雷达天线俯仰角度要求。

本发明使用联轴器22对电机11输出轴与模型支撑杆21进行连接，该连接方式具有以下优点：(1)因风洞试验时需要测试不同类型和尺寸的雷达天线，而通过联轴器连接能方便地实现电机与天线模型之间的拆卸，在雷达天线更换或电机维修时易于模型安装；(2)联轴器能够将主动轴与从动轴牢固地连接在一起，能够在改善旋转元件震动特性的前提下，同时可以准确传递转矩大小和性质。

天平测力系统3包括基座31，该基座上放置天平32来测量雷达天线模型的气动力，可以在风轴系中分别测量作用在雷达天线模型上的空气动力载荷的六个分量，即三个力：升力fl、阻力fd、侧向力fs，与三个力矩：滚转力矩mr、方位力矩ma、倾覆力矩mo。天平32中贴有应变片，天平电源36与天平相连；当安置在天平32上的模型所受气动力发生变化时，应变片发生变形，从而引起应变片中电桥的电压发生变化；信号放大器33将电压信号放大，采集卡34将电压信号采集后储存至计算机35中；再通过数据处理软件对获得的电压信号进行处理，即可获得不同工况下的气动力数据变化曲线。

本发明所述的测量方法包括以下步骤：

吹风试验前：

(1)对雷达天线模型进行安装，将雷达天线模型仰角α调节至所需测试角度；

(2)旋转控制系统中的计算机以“点动方式”调整雷达天线模型方位角β至编码器参考零点(即开机找零，方位角β＝0°位置)，并确定模型方位角与编码器间的对应关系；

(3)给驱动模型旋转的电机通电，利用伺服控制器使雷达天线模型达到试验工况所需转速，待转速稳定后，通过与天平连接的数据采集电脑，采集雷达天线模型在风速为零时的惯性力数据和力矩数据，用于后期数据处理时扣除模型旋转产生的惯性力(力矩)和模型自身重力的影响；

对于不同的雷达天线类型、不同的仰角和不同的旋转速度，对每个工况分别测定不吹风时的雷达天线模型惯性力和力矩数据，用于对应试验工况结果的后处理；以上测量步骤是在将模型罩在密闭中，在近真空情况下进行的，所得数据为消除空气阻尼影响后的附加载荷数据。

吹风试验进行时：

(4)开启风洞，使风速达到对应工况所需风速；调整雷达天线模型转速至对应工况所需转速，待模型转速稳定后，利用计算机数据采集系统同步采集模型旋转多个周期时间内天平输出的电压信号和编码器输出的模型方位角数据。

吹风试验结束后，对数据进行以下处理：

(1)雷达天线模型在绕风轴系垂直方向旋转过程中，存在作用在天平上的力包含有模型重力、模型旋转惯性力和模型所受气动力，所以需要在天平采集的数据中扣除雷达天线模型所受重力和惯性力等附加载荷；模型在对应工况下的惯性力和力矩已在模型吹风前测量完毕；

(2)雷达天线模型旋转时，由于重力产生的作用于天平上的力和力矩在对应方位角下的大小不变，因此通过天平采集模型旋转一周的信号，在所得结果中减去，即可将所得结果中的模型重力影响去除；

(3)从风洞吹风试验中得到的模型总载荷数据中扣除对应工况无风时测得的附加载荷(重力、惯性力)数据，即可计算出雷达天线模型在各试验工况下所对应的真实气动力数据。