带操纵面的垂尾跨音速颤振模型设计

张婷婷

中国商飞上海飞机设计研究院强度设计研究部

带操纵面的垂尾跨音速颤振模型设计

张婷婷

中国商飞上海飞机设计研究院强度设计研究部

以某型飞机垂尾为研究对象，设计了带方向舵的垂尾跨音速颤振风洞试验模型，并通过地面振动试验对其进行验证。研究表明，模型可以准确模拟垂尾刚度，方向舵旋转刚度稳定，模型取得了较好的试验效果。

飞机操纵面由于其结构本身和操纵的复杂性，以及气动力不易准确获得等特点，气动弹性问题更加突出一些，跨音速模型风洞试验目前是颤振试飞前验证飞机跨音速颤振特性的唯一途径。因此，研究操纵面参与的颤振问题时，需要考虑带操纵面的跨音速颤振模型设计。

某型飞机的垂尾亚音速颤振分析表明，临界颤振型为方向舵旋转与垂尾一弯、二弯耦合的爆发型颤振。为研究其在跨音速区的颤振特性，本文设计了一套带方向舵的垂尾跨音速颤振风洞试验模型，并通过地面振动试验对模型的合理性进行了验证。

模型设计

跨音速颤振模型结构需要满足一定的刚度和强度要求，并且具有合适的结构重量占比，方便配重。金属结构刚度容易控制，便于连接，但是重量较重，复合材料结构则具有比强度、比刚度高及可设计性强等重要优点，本文综合使用了金属材料和复合材料，设计了“空心金属梁+复合材料维形”的梁架式结构（图1），由空心金属梁提供主要刚度，蒙皮、泡沫等复合材料维形结构提供部分刚度，并模拟垂尾外形，具有较高的结构效率，模型无超重，且满足刚度、强度要求。

图1　模型安定面结构示意图

带方向舵的垂尾模型的设计难点在于方向舵的连接，在重量受控的前提下，不仅要准确模拟方向舵的旋转刚度，还要保证连接件具有足够的强度。本文设计的模型用3个板弹簧连接方向舵，3个金属连接件一端固定在安定面的金属梁上，另一端通过3个板弹簧连接方向舵梁，旋转刚度由板弹簧提供。除模拟基准旋转频率的一组板弹簧外，还设计了另外三组板弹簧，用以模拟方向舵旋转频率变参。方向舵连接形式示意图见图2。

模型地面振动试验

模型加工完成后进行了地面振动试验，目的是验证模型对于理论设计结构动力学特性的符合性。试验照片见图4。模型的各阶模态频率的理论结算值与试验值偏差见表1，均在±5%以内，满足工程误差的要求。试验结果表明，模型的动力学特性与理论设计要求值基本符合。

表1　B模型的模态频率

测试方向舵旋转频率时，逐步加大激振力，测试旋转频率是否稳定，图4为四组板弹簧方向舵旋转频率随激振力变化示意图（其中，等效旋转频率=方向舵测试频率/基准旋转频率，），结果表明，四组弹簧片的方向舵旋转频率随激振力变化一直保持稳定，连接结构无间隙，有效模拟了设计旋转刚度。

结语

本文设计了带方向舵的垂尾跨音速颤振风洞试验模型，重点研究了方向舵的连接形式，并通过地面振动试验对其进行了验证。试验结果表明：使用3个板弹簧连接方向舵，能有效克服模型间隙，方向舵旋转频率稳定，获得了较好的试验效果，在以后的跨音速颤振模型中可以继续考虑使用板弹簧这种操纵面连接形式。

图2　模型方向舵连接件示意图

图3　模型地面振动试验

图4　方向舵旋转频率随激振力变化示意图

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.003