滚转组合式轴承弹性铰链研究及应用*

赵俊波,高 清,付增良,付天厚,梁 彬,张石玉

(中国航天空气动力技术研究院,北京 100074)

滚转组合式轴承弹性铰链研究及应用*

赵俊波,高 清,付增良,付天厚,梁 彬,张石玉

(中国航天空气动力技术研究院,北京 100074)

为满足升力体高超声速飞行器大气动载荷、低振动频率滚转动态特性的测量要求,研制了滚转组合式轴承弹性铰链机构。设计将轴承和弹性铰链并联,由轴承抵抗大的气动载荷,由弹性铰链精确测量模型滚转角的变化,解决了一体式铰链面临的承载能力和振动频率的矛盾。将该机构先后应用于升力体高超声速飞行器的滚转动态特性试验和战术导弹亚跨声速低振动频率的滚转阻尼试验,均获得良好的试验结果。

滚转阻尼;轴承;弹性铰链;升力体;战术导弹;风洞试验

0 引言

动态风洞试验的关键技术之一是模型运动历程的精确测量。弹性铰由于能精确测量运动过程中模型系统姿态的微小变化,是测量技术的首选[1]。通常,自由振动试验中采用的弹性铰链为一体式,其优点是连接环节少,测量信号稳定。但对于低减缩频率飞行器的滚转动导数测量而言,若要降低试验模型天平系统的振动频率,需减小弹性梁厚度。由于一体式滚转弹性铰链中弹性梁是主要气动载荷承载部位,从安全考虑,弹性梁厚度不能无限制减小。因此,对于一体式滚转弹性铰链,振动频率与承载能力之间的矛盾,严重限制了对低减缩频率飞行器滚转动导数的试验模拟能力,尤其是对于气动载荷大、滚转减缩频率低的升力体高超声速飞行器,该矛盾尤为突出。通过研制机构解决该问题的国内外文献较少。

为解决该矛盾,文中开展了滚转组合式轴承弹性铰链的研究及应用工作。所研究的组合式铰链机构将轴承与传统滚转弹性铰链并联,由轴承抵抗大的轴向和法向气动载荷,弹性铰链的弹性梁厚度可大幅减小,从而降低天平刚度和模型天平系统的振动频率。

1 组合式轴承弹性铰链机构的研制

飞行器的动态特性试验要求滚转铰链必须满足以下要求[2]:系统的机械阻尼要小于模型的气动阻尼;感受到的动态气动力应与铰链的应变量呈线性关系;铰链感受应变的部分必须有足够的刚度,同时应使俯仰和偏航方向的载荷卸载;连接件间间隙尽可能的小,间隙造成振动误差不能影响试验精度。除以上常规要求外,升力体高超声速飞行器的滚转动态特性试验特别要求铰链具有大抗载荷能力、低振动频率和用于小气动量捕捉的高测量精度。

文中基于前期研究经验,先后设计了两套组合式轴承弹性铰链机构(图1),其中一套是深沟球轴承、止推轴承和弹性铰链的组合,另一套是直线轴承和弹性铰链的组合。

设计中,弹性铰链和轴承间通过中心支撑杆并联组合。这种组合方式使轴承和中心支撑杆成为轴向和法向气动力载荷的主要承载元件,使弹性梁厚度可降低,由此实现低减缩频率的模拟。具体的,在滚转弹性铰链和轴承组合系统中,轴承外圈与弹性铰链和模型相连,内圈与中心支撑杆相连,由此将模型承受的轴向和法向气动载荷通过轴承传递到中心支撑杆,从而实现弹性铰链的弹性梁载荷卸载;弹性铰链一端与中心支撑杆(即轴承内圈)相连,另一端与轴承外圈及模型相连,由于轴承放开了滚转自由度,因此可以在弹性铰链作用下模拟飞行器滚转方向的动态往复运动。位于外层的弹性铰链除包含4片一体式弹性梁外,在与每个固定弹性梁45°方向,同时布置4片可拆卸弹性梁。可拆卸弹性梁的材料和厚度可以改变,从而可以调节模型-天平系统的固有频率,使之可以模拟更广飞行范围的减缩频率特性。弹性铰链的作用除了可精确测量模型的滚转运动(精确到1/60°)外,还可以辅助轴向力卸载,提高轴承的止推效能。

相较两种组合式滚转弹性铰链,图1(b)所示组合式直线轴承弹性铰链机构是将图1(a)所示机构中的深沟球轴承、止推轴承的组合替换为直线轴承,由此既简化了机构和连接关系,又减小了连接件间的间隙和摩擦。同时设计加入了滚转角限位的功能,图1(b)中,用于限位的垫片通过螺母与中心支撑杆固结,且只能在弹性铰链的槽范围活动;弹性铰链通过销与模型固接,试验中,弹性铰链随模型产生角位移,限位垫片位置保持不变,若模型及弹性铰链变形角度过大,限位垫片会碰弹性铰链槽的一侧,阻止其发生更大的角度变形,从而模型相对中心支撑杆的滚转角变化范围就被限定。对比研究表明,组合式直线轴承弹性铰链承受轴向载荷和止推能力更强、机械阻尼更低(对于不同模型机械阻尼也稍有变化,基本处于10-4量级)、更具安全保障,因此后文的动态风洞试验均采用组合式直线轴承弹性铰链机构。

图1 滚转组合式轴承弹性铰链机构

2 在升力体飞行器滚转动态特性研究中的应用

为增大升阻比,高超声速飞行器多采用面对称、非圆截面布局,但此布局使飞行器的横向压心与俯仰压心可能存在一定距离;又由于飞行马赫数高,气流加热严重,为确保控制面不因高温加热被烧坏或变形,其控制面通常较小;因此升力体高超声速飞行器的滚转恢复力矩和阻尼力矩小,即滚转减缩频率低、气动阻尼低。

文中研究的升力体高超声速飞行器外形类似HTV-2,在中国航天空气动力技术研究院FD-07风洞开展自由振荡动态试验[3](图2)。表1是新研制的组合式直线轴承弹性铰链与常规一体式铰链的刚度及地面振动频率的对比,与最薄的常规一体式滚转铰链相比,组合式直线轴承弹性铰链机构不仅使系统自由振动频率降低45%,而且由于轴承强的抗载能力及其滚转角限位保护装置,其在承载能力和试验安全性方面远超一体式铰链。图3是风洞试验采用组合式直线轴承弹性铰链机构,成功捕捉了Ma=5、α=0°升力体模型的非线性滚转振荡和模型采用前体微流动控制后振荡曲线的线性改善。

图2 模型在风洞中的安装位置和典型状态的试验纹影

铰链类别铰链刚度/(N·m/rad)f/Hz一体式弹性梁厚度1.2mm28.499.25组合式直线轴承弹性铰链加4片0.8mm活动元件12.96.38

图3 Ma=5,α=0°模型的非线性振荡和整流后的线性振荡曲线

组合式直线轴承弹性铰链机构在本试验中的显著优势在于它抵抗了大的气动载荷,同时其角度限位机构确保了试验的安全;另一方面,由于该机构的弹性梁薄,能对微小信号(信号捕捉精度为0.000 1)进行高精度捕捉。

3 在战术导弹滚转阻尼试验中的应用

小型战术导弹为了保证便携性,滚转控制面通常较小[4],滚转减缩频率低。该类导弹低振动频率的滚转动导数试验存在较大困难,原因在于若要抵抗跨、超声速高动压和气流振荡,一体式铰链的弹性梁必须有一定厚度,但该厚度的一体式铰链往往使系统的振动频率远高于飞行器要模拟的振动频率。通常,为了试验安全,采用牺牲振动频率的方法,采用较厚的一体式铰链开展风洞试验,假设低减缩频率段内动导数的频率效应不明显,但在跨超声速,尤其是气流振荡较剧烈的跨声速,这种假设使飞行器控制系统的设计存在风险和隐患。

图4 地面振荡曲线与理论曲线的对比

为进一步了解组合式直线轴承弹性铰链与一体式铰链的区别和特点,将它们分别用于一个导弹模型比较其振动频率和机械阻尼特征(表2)。对比发现,组合式直线轴承弹性铰链与常规用于亚跨声速风洞最薄的一体式铰链的机械阻尼在一个量级,且都比气动阻尼小一个量级,但是直线轴承弹性铰链的振动频率较一体式弹性铰链降低107%,可更为准确的模拟导弹滚转动导数测量所需的减缩频率。

图5是采用组合式直线轴承弹性铰链获得的某轴对称战术弹在4个马赫数下的滚转阻尼,结果表明,滚转阻尼随马赫数和攻角变化规律性良好(天平对有量纲气动阻尼捕捉精度为0.000 1),反映了该类轴对称导弹滚转阻尼的变化特点[5]。

表2 两种铰链振动频率和机械阻尼的对比

图5 某战术导弹滚转阻尼随马赫数和攻角的变化

值得注意的是,组合式直线轴承弹性铰链在明显降低系统振动频率的同时,机械阻尼较一体式铰链并不一定增加。表3是对某无升力面的高超声速弹头采用上述两支铰链获得的机械阻尼结果,采用组合式直线轴承弹性铰链的机械阻尼小于一体式弹性铰链的机械阻尼。

总之,组合式直线轴承弹性铰链与相当的一体式铰链机械阻尼相近,但抗载能力显著增强,振动频率明显降低,所以新研制的组合式直线轴承弹性铰链特别适用于气动载荷大、振动频率低、气动阻尼低的滚转动态特性风洞试验。

表3 两种铰链振动频率和机械阻尼的对比

4 结论

为满足升力体高超声速飞行器大气动载荷、低振动频率的试验要求,将轴承和弹性铰链结合,设计了滚转组合式轴承弹性铰链机构。研究发现,该组合式铰链因抗载能力强、且自带滚转角限位机构,能有效确保风洞试验的安全;同时,由于弹性梁厚度大幅降低,其对流场微小变化的动态效应更敏感,获得了升力体高超声速飞行器滚转非定常特性和小型导弹亚跨声速高精度的滚转动导数结果。

综上,由于文中所研制的滚转组合式轴承弹性铰链机构抗载能力强、机械阻尼小,特别适用于大气动载荷、低减缩频率以及低气动阻尼的滚转动态特性试验,具有广泛的工程应用前景。

致谢:感谢李潜研究员、毕志献研究员、秦永明研究员以及有关部门在文中工作开展过程中给予的指导与帮助!

[1] 李周复. 风洞特种试验技术 [M]. 北京: 航空工业出版社, 2010: 211-214.

[2] 高清. 升力体高超声速飞行器横侧向稳定性研究 [D]. 北京: 中国运载火箭技术研究院, 2013: 29.

[3] 高清, 赵俊波, 李潜. 类HTV-2横侧向稳定性研究 [J]. 宇航学报, 2014, 35(6): 657-662.

[4] 李召, 宋振铎. 某小型战术导弹弹顶反安定面布局设计研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(5): 55-60.

[5] JENKE L M. Experimental roll damping magnus and static-stability characteristics of two slender missile configurations at high angle of attack and mach number 0.2 through 2.5: AEDC-TR-76-58[R].[S.l.:s.n.], 1976.

Research and Application of Roll Bearing With Elastic Hinge

ZHAO Junbo,GAO Qing,FU Zengliang,FU Tianhou,LIANG Bin,ZHANG Shiyu

(China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing 100074, China)

To fulfill the heavy aerodynamic loads and low vibration frequency measuring requirements of hypersonic lifting aircrafts, a new apparatus of roll bearing with elastic hinge was developed. The bearing and elastic hinge were connected in parallel, and the bearing was strong enough to suffer heavy aerodynamic loads and the flexural beam was sensitive to the vibration of test model and precise for measuring the attitude variation of the model, so the contradiction of load bearing ability and reduced frequency of integrated flexure was settled. The apparatus was applied to the roll dynamic test of hypersonic lifting aircraft and roll derivatives test of a tactical missile with low vibration frequency at subsonic and transonic speeds separately, and high quality test results were obtained in both.

roll damping; bearing; elastic hinge; lifting aircraft; tactical missile; wind tunnel test

2016-01-28

国家安全重大基础研究项目(613272);国家自然科学(青年)基金(11502263)资助

赵俊波(1979-),男,河北石家庄人,高级工程师,博士,研究方向:风洞特种试验技术研究。

V19

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