自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法与流程

1.本发明是一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，属于风洞试验技术领域。


背景技术：

2.为了简化控制系统及克服推力偏心、气动偏心和质量偏心等不利因素的影响，往往使导弹在飞行中作低速旋转，但是导弹的旋转又产生了一个不利的因素
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侧向诱导效应，称为马格努斯效应。该效应对导弹的稳定性和操纵性有严重影响。马格努斯效应试验的目的在于通过风洞试验测量旋转模型上的马格努斯力和力矩的量值，研究不同气动外形、马赫数、雷诺数、攻角以及旋转速率等因素对马格努斯力和力矩的影响规律，进一步评估马格努斯效应对气动特性、飞行特性和控制特性的影响。
3.目前马格努斯效应试验按模型旋转方式分自转和强迫旋转两类。模型自转是靠弹体上的斜置翼或不同的舵偏角产生的滚转力矩产生的，自转模型转速有一稳定值，此值的大小随模型外形、弹翼斜置角、气流m数及模型迎角等变化，同时自由旋转往往由于支撑系统的机械阻尼不能达到需要的旋转速率而得不到完整的马格努斯效应数据，更多地用于旋转速率和旋转阻尼试验；强迫旋转是借助外力强迫模型旋转，模型的转速是不断变化的，利用增速法或减速法来记录模型气动力数据随转速的变化，对于电机驱动的系统，可以保持旋转速率为常数而记录不同攻角下的数据，或者在每个攻角下改变旋转速率，但是有时需要100000rpm的高转速来模拟全尺寸飞行的旋转速率参数，如果采用合理尺寸的电机驱动，达到这样的速度是非常困难的，甚至是不可能的，较高转速的模型一般不适用于电机驱动。为了减少常规风洞试验和马格努斯效应试验来回拆装模型、马格努斯效应试验针对不同试验模型需要在自由旋转和强迫旋转来回切换以及试验过程中舵偏状态工况的远程操控，并提高试验效率、减少吹风次数，对以上试验项目进行结构优化和功能组合成为设计的难点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，设计了强迫旋转组件和自动切换组件的结构，通过电机系统及电磁制动组件的工作状态调整试验模型的旋转状态，实现了不同试验模型在自由旋转和强迫旋转来回切换的试验需求。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，包括强迫旋转组件和自动切换组件；
7.所述强迫旋转组件包括电机系统、电机连接轴和安装机构；所述强迫旋转组件通过安装机构安装于试验模型内部，电机系统的输出轴与电机连接轴连接，且与试验模型同轴；
8.所述自动切换组件包括电磁制动组件、压紧分离组件和推力组件；所述电磁制动
组件包括转子和定子，定子与所述安装机构固定连接；所述压紧分离组件包括固定件和运动件；所述固定件与试验模型内壁固定连接；所述运动件套于电机连接轴外部，所述运动件可沿电机连接轴轴线移动并传递扭矩；所述运动件尾端设有推力组件；
9.电磁制动组件未启动时，所述转子与定子分离，推力组件推动运动件沿试验模型轴向移动，实现固定件和运动件的配合，电机连接轴依次带动运动件、固定件和试验模型进行强迫旋转；
10.电磁制动组件启动时，所述转子与定子贴紧，转子带动运动件克服推力组件的推力，解除固定件和运动件的配合，试验模型自由旋转。
11.进一步的，所述固定件和运动件分别设有相互匹配的第一限位机构和第二限位机构；第一限位机构和第二限位机构配合实现固定件和运动件在轴向的连接且限制第一限位机构和第二限位机构沿周向的相对运动。
12.进一步的，所述固定件和运动件为中空回转结构；所述固定件的内表面和运动件的外表面为均为锥形面的一部分；所述固定件的内表面设有环状凸起，所述运动件的外表面设有与环状凸起对应的环状凹槽；所述锥形的轴线与验模型轴线重合；固定件的内表面和运动件的外表面在电磁制动组件未启动时相互配合。
13.进一步的，所述固定件和运动件分别设有相互匹配的第一限位机构和第二限位机构；所述第一限位机构和第二限位机构分别为设于固定件的内表面环状凸起上的限位凸起和设于运动件的外表面的环状凹槽中的限位凹槽，所述限位凸起和限位凹槽沿试验模型轴线配合。
14.进一步的，所述限位凸起的方向与试验模型轴线平行；所述限位凸起的前缘为半球头；所述限位凸起沿固定件内表面所设环状凸起均匀分布。
15.进一步的，所述安装机构包括电机法兰、第一轴承和第二轴承；
16.所述电机法兰一端与电机系统固定连接，另一端与外部尾支杆和天平固定连接；
17.所述第一轴承设于电机法兰与试验模型之间，第二轴承设于电机连接轴与试验模型之间，实现强迫旋转组件与试验模型的套合。
18.进一步的，所述推力组件包括弹簧和推力轴承，所述弹簧一端固定安装于试验模型内壁且伸缩方向与试验模型轴线平行；所述推力轴承设于弹簧另一端与运动件尾端之间。
19.进一步的，所述风洞测力试验装置还包括编码器，编码器包括转子和定子；所述编码器定子固定安装于所述电机法兰上，转子固定安装于试验模型内壁，用于测量试验模型的旋转角度和速度并输出至控制电机系统和电磁制动组件，所述电机系统和电磁制动组件根据试验模型的旋转角度和速度对试验模型的旋转状态进行控制；
20.所述电机系统包括电机、减速器、编码器和制动器。
21.进一步的，所述风洞测力试验装置还包括鸭舵远程舵控装置和尾翼远程舵控装置；鸭舵远程舵控装置包括舵偏传动机构、编码器、电源、控制器以及接收发射器，对鸭舵偏转角进行远程操控；尾翼远程舵控装置包括舵偏传动机构、编码器、电源、控制器以及接收发射器，能对尾翼偏转角进行远程操控。
22.一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验方法，采用上述一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置实现，包括静态测力试验和动态测力试验；
23.所述静态测力试验包括如下步骤：
24.s11预置来流马赫数和尾支杆姿态；
25.s12使电磁制动组件处于未启动状态，电机系统驱动试验模型进行一系列角度的强迫旋转；
26.s13对尾翼和鸭舵进行一系列舵面角度偏转，并逐一进行静态测力试验；
27.所述动态测力试验包括如下步骤：
28.s21预置来流马赫数和尾支杆姿态；
29.s22预设尾翼和鸭舵的舵面偏转角度；
30.s23使电磁制动组件处于未启动状态，电机系统驱动试验模型进行不同速度的强迫旋转，并实时获取各状态下的测力数据；
31.或，所述动态测力试验包括如下步骤：
32.s31预置来流马赫数和尾支杆姿态；
33.s32预设尾翼和鸭舵的舵面偏转角度；
34.s33使电磁制动组件处于启动状态，电机系统驱动试验模型进行自由旋转，并获取速度稳定后的测力数据。
35.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
36.(1)本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，在试验模型内部设置了强迫旋转组件，并对强迫旋转组件的具体结构及固定方式进行了设计，使其能稳定驱动试验模型进行强迫旋转；
37.(2)本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，对自动切换组件中各部件的结构及连接方式进行了精巧的设计，具体包括固定件和运动件的配合面形状、配合方式；固定件和运动件通过电磁制动原理，利用推力组件进行分离和压紧的方式；推力组件的具体结构；实现了自由旋转和强迫旋转的自动切换，且结构简单，拆装方便，且易于操作和控制；
38.(3)本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，设置了编码器对试验模型的角度和速度进行实时测量，从而使根据测量结果实时控制试验模型的旋转状态，简化了控制过程，提高了试验效率；
39.(4)本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，通过设置尾翼远程舵控装置和鸭舵远程舵控装置，实现了常规和旋转测力所需的不同舵偏工况，提高了测试过程中对舵偏角的调整效率，提高了调整精度，保证了试验高效、稳定进行；
40.(5)本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验方法，能够实现试验模型在不同来流马赫数、尾支杆姿态、尾翼鸭舵舵面角度以及自旋角度速度下的静态和动态测力试验，试验条件切换迅速，易于操作和控制，提高了试验效率及操作准确度，减少了人力成本。
附图说明
41.图1为本发明一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置的结构示意图；
42.图2为本发明是一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置中自动切
换组件的结构示意图。
具体实施方式
43.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
44.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
45.为了减少常规风洞试验和马格努斯效应试验来回拆装模型、马格努斯效应试验针对不同试验模型需要在自由旋转和强迫旋转来回切换以及试验过程中舵偏状态工况的远程操控，本发明提供了一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，通过设计强迫旋转组件，实现了模型自旋角度的静态测力和自旋速度的动态测力；通过设计自动切换组件，实现了不同试验模型在自由旋转和强迫旋转来回切换的试验需求；通过设置尾翼远程舵控装置和鸭舵远程舵控装置，实现了常规和旋转测力所需的不同舵偏工况；通过设计自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，实现了试验模型在不同来流马赫数、尾支杆姿态、尾翼鸭舵舵面角度以及自旋角度速度下的静态和动态测力试验。
46.本发明公开一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，包括强迫旋转组件和自动切换组件，强迫旋转组件和自动切换组件设于试验模型内部，自动切换组件的运动件与电机连接轴套合，沿电机连接轴轴线可自由移动并传递扭矩，在电磁制动组件未启动时，在推力组件的作用下，运动件与固定件紧密配合，电机系统的输出轴带动电机连接轴旋转，进而带动运动件和固定件旋转，实现与固定件固定的试验模型一起进行强迫旋转，在电磁制动启动时，电磁制动转子被定子吸住，与转子固定的运动件沿电机连接轴轴线方向移动，通过推力轴承压缩弹簧，与固定件及限位凸起分离，实现试验模型的自由旋转，强迫旋转和自由旋转的角度和速度通过编码器进行实时测量反馈。该装置能对模型鸭舵尾翼的舵偏远程操纵，实现了常规和旋转测力所需的不同舵偏工况；通过设计自动切换组件，实现了不同试验模型在自由旋转和强迫旋转来回切换的试验需求；通过设计自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置和方法，实现了试验模型在不同来流马赫数、尾支杆姿态、尾翼鸭舵舵面角度以及自旋角度速度下的静态和动态测力试验，结构简单，拆装方便，且易于操作和控制。
47.本发明所述试验模型为现有技术中具有尾翼和鸭舵的试验模型，所述天平及尾支杆的连接方式采用现有技术中的一般方式。
48.实施例1
49.如图1和图2所示，本实施例为一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置，包括强迫旋转组件(附图中的8和9)、自动切换组件(11-17)，远程控制机构(2、3)和编码器18；
50.编码器18获取试验模型强迫旋转和自由旋转的角度和速度，并实时测量反馈给控制电机系统8和电磁制动组件。
51.远程控制机构包括鸭舵远程舵控装置2和尾翼远程舵控装置3；鸭舵远程舵控装置
2包括舵偏传动机构、编码器、电源、控制器以及接收发射器，能对鸭舵偏转角进行远程操控；尾翼远程舵控装置3包括舵偏传动机构、编码器、电源、控制器以及接收发射器，能对尾翼偏转角进行远程操控。
52.试验模型1与强迫旋转组件套合，强迫旋转组件包括电机系统8和电机连接轴9，电机连接轴9与电机系统8的输出轴相固连，电机法兰5一端与电机系统8固定连接，另一端与外部尾支杆7和天平6固定连接，并随尾支杆7进行姿态变换，所述天平6与尾支杆7固定连接；第一轴承4设于电机法兰5与试验模型之间，第二轴承10设于电机连接轴9与试验模型之间，实现强迫旋转组件与试验模型的套合。
53.自动切换组件包括电磁制动定子14和转子13，弹簧17、推力轴承16、限位凸起15、运动件11和固定件12，运动件11与电机连接轴9套合，运动件11和电机连接轴9分别设有相互配合的限位机构，使运动件11沿电机连接轴9轴线可自由移动并传递扭矩，具体地说，运动件11与电机连接轴9通过键配合传递扭矩，并限制两者相互切向运动。在电磁制动组件未启动时，在弹簧17和推力轴承16的作用下，运动件11与固定件12紧配合，电机系统8的输出轴旋转电机连接轴9，带动运动件11通过限位凸起15实现与固定件12固定的试验模型1一起进行强迫旋转，在电磁制动组件启动时，电磁制动转子13被定子14吸住，与转子13固定的运动件11沿电机连接轴9轴线方向移动，通过推力轴承16压缩弹簧17，与固定件12及限位凸起15分离，实现试验模型1的自由旋转，试验模型1强迫旋转和自由旋转的角度和速度通过编码器18进行实时测量反馈。
54.电机系统8包括电机、减速器、编码器和制动器，能对编码器18测量的角度值和速度值进行反馈控制试验模型1的旋转角度和速度；电磁制动组件包括定子14和转子13，定子14与电机法兰5固定，转子13与运动件11固定，且定子14、转子13和运动件11的轴线相重合。
55.限位凸起15的前缘为半球头，与固定件12内侧面环形均布固定，与运动件11外侧面环形均布的凹球槽相匹配，并相互限制旋转运动；编码器18的定子与电机法兰5相固定，转子与试验模型1固定，对试验模型的旋转角度和速度进行实时精密测量反馈；
56.自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验装置的编码器18、强迫旋转组件、自动切换组件和试验模型的旋转轴线相重合。
57.试验模型通过动平衡试验和重量配平，以及尾翼和鸭舵不同偏转角的状态下，均保证其旋转动不平衡力矩小于40mn.mm。
58.一种自由旋转和强迫旋转自动切换的风洞测力试验方法，包括如下步骤：
59.(1)预置来流马赫数和尾支杆7姿态，电磁制动组件未启动，在编码器18对试验模型1进行角度测量反馈下，电机系统8驱动带动试验模型1进行一系列角度旋转，并在相应角度下通过尾翼远程舵控装置3和鸭舵远程舵控装置2分别对尾翼和鸭舵进行一系列舵面角度偏转，并逐一进行静态测力试验，获取试验模型在不同来流马赫数、尾支杆7姿态、自旋角度以及尾翼和鸭舵不同舵面角度下的静态测力数据；
60.(2)预置来流马赫数和尾支杆7姿态，电磁制动组件未启动，通过尾翼远程舵控装置3和鸭舵远程舵控装置2分别对尾翼和鸭舵进行预设舵面偏转角度，在编码器18对试验模型1进行角度和速度测量反馈下，电机系统8驱动带动试验模型1进行不同速度的旋转，并实时获取各状态下的测力数据；
61.(3)预置来流马赫数和尾支杆7姿态，电磁制动组件启动，通过尾翼远程舵控装置3
和鸭舵远程舵控装置2分别对尾翼和鸭舵进行预设舵面偏转角度，试验模型1进行自由旋转并最终稳定在一个速度下，编码器18对试验模型1进行角度和速度测量，通过天平6实时获取试验模型的测力数据，并借助自动切换组件实现试验模型限速保护和舵面偏转角度变换时的状态切换保护。
62.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
63.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。