一种用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平的制作方法

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平。

背景技术：

高超声速化是未来各类飞行器、战略战术武器发展的重要方向。目前，各航空航天大国都对高超声速飞行器及其相关技术给予了强烈的关注。而这些高超声速飞行器相对于传统飞行器具有显著的差异，不仅表现在外形更为复杂，还都具有明显的升力体布局特征，更要求具有较强的机动性、操控能力强等特点。由于高升阻比气动布局外形飞行器的特点，会导致飞行器纵向和横向通道的强耦合效应、增大操控的难度，尤其是在再入和机动飞行过程中姿态角的较大变化，会使气动力参数预测不准确，对操纵性和稳定性产生非常显著的影响，甚至造成飞行器的失控。htv-2于2010年和2011年两次飞行试验均告失败，原因之一就是在再入/滑翔飞行模式转换阶段，由于气动数据地面预测不准，从而导致飞行试验时飞行器的飞行稳定与操纵性能不足，出现滚转/偏航耦合运动，诱导超调的偏航/滚转力矩，远远超过实际可控能力，尽管采用rcs系统进行横航向操纵，但操纵能力依然有限，导致姿态失控。因此，在高超声速风洞中发展高精度天平技术，提高高升阻比外形的测力试验数据精准度，尤其是提高横航向气动力试验数据的精准度，对解决新一代高升阻比高超声速飞行器设计面临的气动力及控制问题具有重要意义。

目前，高超声速风洞通常采用六分量应变天平测量模型气动力和力矩系数，这类天平的纵向与横向载荷量程相差较小。而新一代高升阻比高超声速飞行器具有大升阻比、大纵横向气动载荷比的特点，其横航向分量载荷较纵向载荷小一个量级以上，各个分量设计量程严重不匹配。上述高升阻比飞行器气动性能特点使天平结构刚强度设计与保证横航向测量分量灵敏度、精度的矛盾异常突出。

要在纵横向气动载荷相差很大的条件下提高横航向气动载荷测量精准度，解决天平灵敏度与刚度之间的矛盾，减小测力天平各分量之间的相互干扰一直是天平设计中的难点。

当前，针对上述问题，亟需发展一种高精度的用于高超声速风洞高升阻比模型的测力天平。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平，其特点是，所述的组合测力天平包括同水平轴线的杆式的内天平和环式的外天平，内天平插入外天平中心空腔，内天平与外天平之间通过内天平前锥段和外天平前端内锥锥面配合；内天平平键槽与外天平平键槽孔对齐，周向定位键从外至内依次插入外天平平键槽孔和内天平平键槽内，周向定位键用于固定内天平和外天平，防止内天平和外天平相对转动；拉紧螺栓旋入内天平前锥段水平轴线上的内天平螺纹孔，拉紧螺栓头部通过平垫、弹垫压紧在内天平和外天平的前端面上，将内天平和外天平紧固连接，防止内天平和外天平轴向松动。

所述的内天平为杆式天平，从前至后依次包括内天平前锥段、内天平柱梁ⅰ、内天平支撑梁、内天平柱梁ⅱ和内天平后锥段；天平前锥段中心轴线上开有与拉紧螺栓配装的内天平螺纹孔，天平前锥段上还设置有平行于内天平水平轴线的内天平平键槽；内天平柱梁ⅰ上粘贴有一组测量法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz的应变计，内天平柱梁ⅱ上粘贴有另一组测量法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz的应变计；内天平支撑梁前段和后段上设置有前后对称的内天平多片支撑梁，内天平支撑梁的中部设置有左右对称的内天平轴向力t形梁，内天平轴向力t形梁的竖直段从上至下垂直于内天平的中心轴线，竖直段的截面面积从上至下线性变小，内天平轴向力t形梁竖直段上粘贴有测量轴向力a的应变计；内天平后锥段设置有与尾支杆锥面配合的锥段，内天平后锥段还设置有定位键槽和拉紧楔孔。

所述的外天平为环式天平；外天平前段设置有与内天平前锥段配装的外天平前端内锥，外天平前段还设置有与内天平平键槽配装的外天平平键槽孔；外天平中段设置有滚转力矩mx设计中心面，滚转力矩mx设计中心面两侧设置有两组前后对称的环式滚转力矩mx测量区，每组环式滚转力矩mx测量区在外天平周向0°和180°位置处设置有外天平多片支撑梁，在外天平周向90°和270°位置处设置有外天平滚转力矩├形梁，外天平滚转力矩├形梁水平段的截面面积从滚转力矩mx设计中心面向外线性变小，外天平滚转力矩├形梁水平段上粘贴有测量滚转力矩mx的应变计；外天平后段设置有与试验模型配装的法兰。

所述的内天平和外天平材质为f141钢材。

所述的应变计为中温应变计。

需要注意的是，本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平在室温至工作温度范围内，需要进行零点温飘补偿，补偿后天平温度漂移满足gjb2244a-2011《风洞应变天平规范》要求。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平是包括外天平和内天平的组合天平，是六分量天平，外天平测量滚转力矩mx一个分量，内天平测量试验模型的轴向力a、法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz五个分量。滚转力矩mx的量程为1n·m，法向力y的量程比滚转力矩mx的量程大2～3个数量级，轴向力a的量程比滚转力矩mx的量程大1个数量级，侧向力z的量程与轴向力a的量程为同一数量级。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平为环式外天平，采用中空环式结构。外天平滚转力矩├形梁上设计了滚转力矩mx元件；外天平滚转力矩├形梁采用变截面设计，外天平滚转力矩├形梁的水平段的截面面积从滚转力矩mx设计中心面向外线性变小，有利于增大平均应变、提高灵敏度，同时减小元件根部的应力集中；外天平多片支撑梁，能够承担较大的法向力y和侧向力z，同时保证滚转力矩mx有较高灵敏度。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的内天平为杆式内天平，采用杆式结构。轴向力a元件是相对独立元件；内天平轴向力t形梁布置在天平设计中心上，采用变截面设计，内天平轴向力t形梁的竖直段垂直于内天平的中心轴线，竖直段的截面面积从上至下线性变小；内天平轴向力t形梁的前后布置内天平多片支撑梁。内天平法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz测量梁采用柱梁结构，对称布置在轴向力a元件的两端；柱梁与对称面垂直面的面测量法向力y和俯仰力矩mz，柱梁与对称面平行的侧面测量侧向力z和偏航力矩my。因为，内天平无需考虑测量滚转力矩mx(但是在实际贴片时仍然在滚转力矩mx敏感梁上保留滚转力矩mx测量电路)，所以，内天平在结构尺寸上相对容易匹配，便于在保证纵向大载荷测量要求下同时提高横航向测量的灵敏度。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的内天平轴向力t形梁和外天平滚转力矩├形梁采用的变截面设计，能够降低贴片位置精度要求。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平和内天平的材料均为f141钢材，采用相同的成熟的加工工艺，便于加工制造。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平和内天平的尾端设计有与试验模型和尾支杆连接的接口。由于接口位置在组合测力天平的尾端、试验模型的中后部，试验时试验模型的中后部温度上升相对通常采用的前端接口缓慢，有利于降低试验过程中的天平温度效应，特别是组合测力天平内的测量元件与试验模型并不接触，对于降低天平温度效应更为有利。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平和内天平均可单独使用，外天平还可与现有的其他杆式天平组合使用，具有较高的使用效率。

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平是高精度组合天平，采用了内外嵌套的组合天平结构，实现了天平各分量测量元件结构尺寸匹配优化，在保持天平刚度的基础上，提高了横航向测量精度，适用于测量高超声速高升阻比外形飞行器试验模型的气动特性。

附图说明

图1为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平的立体示意图；

图2为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平的平面结构示意图；

图3为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的内天平平面结构示意图；

图4为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的内天平轴向剖视图；

图5为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的内天平立体结构示意图；

图6为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平平面结构示意图；

图7为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平轴向剖视图；

图8为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平中的外天平立体结构示意图；

图9为本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平的风洞装配示意图。

图中，1.内天平2.外天平3.平垫4.弹垫5.拉紧螺栓6.周向定位键；

101.内天平前锥段102.内天平柱梁ⅰ103.内天平多片支撑梁104.内天平轴向力t形梁105.内天平后锥段106.内天平平键槽107.内天平螺纹孔108.内天平柱梁ⅱ109.内天平支撑梁；

201.外天平多片支撑梁202.外天平滚转力矩├形梁203.外天平平键槽孔204.外天平前端内锥。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1、图2所示，本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平包括同水平轴线的杆式的内天平1和环式的外天平2，内天平1插入外天平2中心空腔，内天平1与外天平2之间通过内天平前锥段101和外天平前端内锥204锥面配合；内天平平键槽106与外天平平键槽孔203对齐，周向定位键6从外至内依次插入外天平平键槽孔203和内天平平键槽106内，周向定位键6用于固定内天平1和外天平2，防止内天平1和外天平2相对转动；拉紧螺栓5旋入内天平前锥段101水平轴线上的内天平螺纹孔107，拉紧螺栓5头部通过平垫3、弹垫4压紧在内天平1和外天平2的前端面上，将内天平1和外天平2紧固连接，防止内天平1和外天平2轴向松动。

如图3～图5所示，所述的内天平1为杆式天平，从前至后依次包括内天平前锥段101、内天平柱梁ⅰ102、内天平支撑梁109、内天平柱梁ⅱ108和内天平后锥段105；天平前锥段101中心轴线上开有与拉紧螺栓5配装的内天平螺纹孔107，天平前锥段101上还设置有平行于内天平1水平轴线的内天平平键槽106；内天平柱梁ⅰ102上粘贴有一组测量法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz的应变计，内天平柱梁ⅱ108上粘贴有另一组测量法向力y、侧向力z、偏航力矩my和俯仰力矩mz的应变计；内天平支撑梁109前段和后段上设置有前后对称的内天平多片支撑梁103，内天平支撑梁109的中部设置有左右对称的内天平轴向力t形梁104，内天平轴向力t形梁104的竖直段从上至下垂直于内天平1的中心轴线，竖直段的截面面积从上至下线性变小，内天平轴向力t形梁104竖直段上粘贴有测量轴向力a的应变计；内天平后锥段105设置有与尾支杆锥面配合的锥段，内天平后锥段105还设置有定位键槽和拉紧楔孔。

如图6～图8所示，所述的外天平2为环式天平；外天平2前段设置有与内天平1前锥段101配装的外天平前端内锥204，外天平2前段还设置有与内天平平键槽106配装的外天平平键槽孔203；外天平2中段设置有滚转力矩mx设计中心面，滚转力矩mx设计中心面两侧设置有两组前后对称的环式滚转力矩mx测量区，每组环式滚转力矩mx测量区在外天平2周向0°和180°位置处设置有外天平多片支撑梁201，在外天平2周向90°和270°位置处设置有外天平滚转力矩├形梁202，外天平滚转力矩├形梁202水平段的截面面积从滚转力矩mx设计中心面向外线性变小，外天平滚转力矩├形梁202水平段上粘贴有测量滚转力矩mx的应变计；外天平2后段设置有与试验模型配装的法兰。

所述的内天平1和外天平2材质为f141钢材。

所述的应变计为中温应变计。

实施例1

本发明的用于高超声速风洞高升阻比模型的组合测力天平的风洞装配示意图如图9所示，具体步骤如下：

1.组合装配内天平1和外天平2，并与尾支杆紧固连接；

2.将尾支杆安装在高超声速风洞的试验段的支撑装置上；

3.通过外天平2后端的端面法兰固定试验模型后段；

4.将试验模型前段固定在试验模型后段上；

5.按照高超声速风洞测力试验流程开展风洞试验。