[科普中國]-旋轉(zhuǎn)天平試驗

高性能戰(zhàn)斗機在大攻角飛行時發(fā)生的失速/尾旋，情況十分復(fù)雜，一直嚴重地危及飛行安全，應(yīng)該特別認真對待。據(jù)統(tǒng)計，美國空軍從1966年至1970年出現(xiàn)的失速/尾旋事故占總事故的7.4%。在1965年至1970年五年間，失速/尾旋事故導(dǎo)至美國空軍每年損失4500萬美元。70年代中期，F(xiàn)-4鬼怪式飛機曾因尾旋事故損失170架，成為當(dāng)時突出的問題。80年代初期，美國在對F/A-18A戰(zhàn)斗機失速/尾旋試飛研究中，盡管動用了常規(guī)風(fēng)洞、尾旋風(fēng)洞、風(fēng)洞自由飛、遙控投放自由飛、模似器等多種手段，對該飛機的大攻角特性做了反復(fù)驗證，確信該飛機具有良好的抗偏離/尾旋特性，但在最后的試飛中仍有一架飛機因進入意外的偏離模態(tài)而失事。

飛機失速/尾旋的試驗技術(shù)分為地面試驗和飛行試驗兩部分，歸納起來有如下幾種研究方法：

(1)尾旋風(fēng)洞試驗

(2)風(fēng)洞模型自由飛試驗

(3)旋轉(zhuǎn)天平試驗

(4)地面基座模擬器試驗

(5)遙控自由飛模擬試驗

(6)空中飛行模擬器實驗

(7)全尺寸飛機飛行試驗。

80年代后期開始研制旋轉(zhuǎn)天平，1994年已能進行旋轉(zhuǎn)天平試驗，并相應(yīng)地開展了尾旋模態(tài)的解析研究。1

旋轉(zhuǎn)天平是用來獲得尾旋運動中復(fù)雜氣動特性的重要手段。該裝置是模擬飛機在失速狀態(tài)下，機身圍繞某一軸旋轉(zhuǎn)的同時，飛機自身同時旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運動，通過對旋轉(zhuǎn)天平空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)進行測量，進而對尾旋特性進行分析研究。

還可以應(yīng)用旋轉(zhuǎn)天平數(shù)據(jù)和動導(dǎo)數(shù)進行飛機大仰角六自由度電子計算機和地面模擬器的計算模擬，可獲得尾旋的時間歷程，并與試飛結(jié)果獲得了良好的相關(guān)性，而且應(yīng)用旋轉(zhuǎn)天平數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)尾旋的預(yù)測，其結(jié)果與試飛結(jié)果也相當(dāng)一致。旋轉(zhuǎn)天平數(shù)據(jù)不能用其他數(shù)據(jù)所代替，只能來自旋轉(zhuǎn)天平的風(fēng)洞試驗。

如圖所示，由異步電機驅(qū)動減速器，通過與減速器輸出端相聯(lián)的傳動軸以及主軸傘齒輪副使主軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角速率，主軸通過“剛性”聯(lián)接的弧形彎軌、支架、六分力應(yīng)變天平使模型旋轉(zhuǎn)。顯然主軸的旋轉(zhuǎn)角速率即為模型的旋轉(zhuǎn)角速率。

在主軸旋轉(zhuǎn)之前，使滑塊沿弧形彎軌滑到所需的位置鎖定，產(chǎn)生 角，再使支桿相對滑塊轉(zhuǎn)動到需要的角度中并鎖定，由公式

計算出仰角 和側(cè)滑角 ，在實驗中，通常是預(yù)先給定所需要的 、 ，然后計算出 、 ，再以此進行角度調(diào)整。2

如圖所示，旋轉(zhuǎn)天平主要由下列幾部分組成。

角度調(diào)整結(jié)構(gòu)模型，六分力天平，支桿，滑塊，變俘角機構(gòu)，弧形彎軌。

主旋轉(zhuǎn)體主軸聯(lián)接體(內(nèi)有信號放大器)，主軸，軸承，滑環(huán)。

主軸驅(qū)動機構(gòu)傘齒輪，傳動軸，伸縮萬向節(jié)，光柵，減速器，驅(qū)動電機。

配平體配平殼體，可調(diào)鉛塊。

主機支撐系統(tǒng)主軸套，可調(diào)支架，風(fēng)洞外龍門架體。

模型的參考中心在各種狀態(tài)下與旋轉(zhuǎn)主軸的軸線基本重合。弧形彎軌使帶有支桿的滑塊沿弧形軌道滑動，并用銷釘定位來改變 角，保證模型的參考中心始終位于旋轉(zhuǎn)主軸的中心線上。在支桿的尾端有角度齒，可以改變支桿相對于滑塊的轉(zhuǎn)角。

保證模型有足夠的尺寸，因模型展長越長對實驗越有利;模型有盡可能大的角度變化范圍;保證模型所需的無因次旋轉(zhuǎn)率的變化范圍(0.05一0.2)；實驗雷諾數(shù)大;具有較小的支架干擾和阻塞度;具有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和強度。

根據(jù)試驗需求，測控系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，包括試驗管理子系統(tǒng)、運動控制子系統(tǒng)和天平數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

試驗管理子系統(tǒng)包含多個軟件模塊，與其他子系統(tǒng)組成基于TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)運動控制采用具有分布式標準結(jié)構(gòu)的監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition ,SCADA)系統(tǒng)來實現(xiàn)，監(jiān)控軟件開發(fā)平臺為WinCC組態(tài)軟件。天平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于PXI總線技術(shù)的集成采集系統(tǒng)，實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)的天平數(shù)據(jù)異步和同步的數(shù)據(jù)采集。

試驗管理子系統(tǒng)是一個軟件系統(tǒng)，負責(zé)整個試驗的調(diào)度管理。它由中心調(diào)度軟件、天平數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)組成。在中心調(diào)度軟件的控制下運行，各軟件模塊通過DataSocket通信機制實現(xiàn)指令信息和試驗數(shù)據(jù)的傳遞，DataSocket通信機制支持多種通信協(xié)議，并對TCP/IP標準進行了很好的底層封裝，開發(fā)者不用進行底層編程，就可以在測控系統(tǒng)中共享和傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)并發(fā)送與接收指令信息。中心調(diào)度軟件采用OPC通信協(xié)議與運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)通信連接，共同構(gòu)成分布式測控局域網(wǎng)，從而既保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，又確保了試驗數(shù)據(jù)的安全。

試驗管理子系統(tǒng)具有以下特點:

1）整個測控系統(tǒng)軟件基于局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用分布式結(jié)構(gòu)。

試驗軟件系統(tǒng)與硬件組成結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用分布式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由一名用戶通過中心調(diào)度管理軟件統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)執(zhí)行各子系統(tǒng)軟件的相應(yīng)功能，綜合完成試驗任務(wù)，節(jié)省了人力成本，減少操作失誤。

2）各軟件能夠獨立穩(wěn)定運行。

各軟件能夠單獨、穩(wěn)定運行。一方面防止網(wǎng)絡(luò)或個別軟件運行過程中發(fā)生異常時，整個系統(tǒng)不會癱瘓;另一方面，試驗數(shù)據(jù)的后期計算處理，如數(shù)據(jù)復(fù)算，只需要執(zhí)行數(shù)據(jù)處理軟件，不需要整個試驗管理系統(tǒng)都運行，節(jié)省計算資源。

3）整個試驗管理軟件便于維護。

盡可能地減少軟件的維護難度和維護工作量，是整個軟件系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點和最終目標。對于不同的試驗任務(wù)，數(shù)據(jù)采集、運動控制和試驗運行管理等方面都是相同的，而數(shù)據(jù)處理方面則隨著試驗類型的不同而有所不同。在設(shè)計時，筆者將數(shù)據(jù)處理軟件作為開放式設(shè)計，其他軟件則功能固化，整個子系統(tǒng)的維護工作主要集中于數(shù)據(jù)處理軟件，從而實現(xiàn)減少軟件維護的難度和維護工作量的目的。3