[科普中國]-空氣動力天平

簡介

空氣動力天平，又稱風(fēng)洞天平，是測量風(fēng)洞中作用在模型上的空氣動力和力矩的設(shè)備。它能將空氣動力和力矩沿 3個相互垂直的坐標(biāo)軸系分解并進(jìn)行精確測量。風(fēng)洞天平按測力的性質(zhì)分為靜態(tài)測力天平和動態(tài)測力天平兩類，分別測量定常飛行和非定常飛行時模型所受到的空氣動力。靜態(tài)測力天平有內(nèi)式和外式等多種形式，按結(jié)構(gòu)和測量原理分為機(jī)械式、應(yīng)變式、壓電式和磁懸掛等形式。機(jī)械式天平主要用于低速風(fēng)洞，常見有張線式和硬架式兩種。

研究現(xiàn)狀風(fēng)洞是一種特殊的基礎(chǔ)設(shè)施，國內(nèi)外從事該行業(yè)的機(jī)構(gòu)和人員較少。但是由于空氣動力學(xué)關(guān)系著國家飛行器的發(fā)展，國際上歐美等發(fā)達(dá)國家都有自己的風(fēng)洞，用于研究先進(jìn)飛行器的氣動特性，也有各自的風(fēng)洞天平以及相應(yīng)的天平信息管理方式，但是由于先進(jìn)飛行器研究關(guān)系著國家的命運(yùn)，肯定存在著技術(shù)保密等情況，相關(guān)天平的一些信息不可能公開，我們無法獲知國外風(fēng)洞天平信息管理的情況。

國內(nèi)從事風(fēng)洞天平研究的機(jī)構(gòu)不多，主要從事天平技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)除氣動中心外，還有中國航空工業(yè)空氣動力研究院(哈爾濱627和沈陽626所)、中國航天空氣動力技術(shù)研究院(北京701所)，目前均未對天平的信息進(jìn)行自動化管理，還停留在紙質(zhì)化管理階段。1

校準(zhǔn)簡介背景風(fēng)洞模型試驗(yàn)是航空航天飛行器研制過程中了解飛行器性能、降低飛行器研制風(fēng)險和成本的重要手段之一，風(fēng)洞天平則是直接感應(yīng)和測量作用在模型六個自由度上氣動力和力矩的高精度測量裝置。風(fēng)洞天平技術(shù)涉及天平材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計分析、加工制造技術(shù)、應(yīng)變傳感器技術(shù)和天平校準(zhǔn)技術(shù)等。通常，天平校準(zhǔn)可細(xì)分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)校準(zhǔn)，靜態(tài)校準(zhǔn)是依據(jù)天平校準(zhǔn)原理，利用天平校準(zhǔn)裝置，按照一定的校準(zhǔn)方法，建立天平測量信號與所受氣動載荷關(guān)系的過程，即獲取天平公式和天平其他性能參數(shù)的過程。動態(tài)校準(zhǔn)則是在靜態(tài)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用標(biāo)模，在風(fēng)洞中進(jìn)一步校驗(yàn)天平性能的過程。由于風(fēng)洞天平靜校決定天平校準(zhǔn)的效率和天平公式的準(zhǔn)確性，關(guān)系到天平未來應(yīng)用中模型氣動數(shù)據(jù)測量的精準(zhǔn)度，所以天平靜校被認(rèn)為是天平設(shè)計過程中最重要的環(huán)節(jié)。

概念簡述風(fēng)洞天平是一種能感應(yīng)和測量試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕纤茌d荷的傳感測量裝置。風(fēng)洞天平在結(jié)構(gòu)上設(shè)計有感應(yīng)特定載荷作用下產(chǎn)生應(yīng)變的結(jié)構(gòu)彈性元，如升力元、阻力元等。在這些結(jié)構(gòu)彈性元上，粘貼有電阻應(yīng)變片并組成惠斯登電橋，每個電橋都主要針對一個自由度上的載荷，根據(jù)各電橋的電信號輸出可以計算得到作用在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系臍鈩恿土?。這種風(fēng)洞天平測量的基本原理產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，至今沒有改變。近年來，已有光纖應(yīng)變片在風(fēng)洞天平上進(jìn)行應(yīng)用研究。

由于作用在風(fēng)洞模型六個自由度上的氣動載荷大小差別較大，盡管現(xiàn)代天平在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用計算機(jī)，采用了有限元分析、優(yōu)化等先進(jìn)設(shè)計技術(shù)，充分考慮天平各結(jié)構(gòu)彈性元對其他載荷的抗干擾性，但由于天平空間尺度相對較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各結(jié)構(gòu)彈性元間的載荷或多或少都存在著干擾。因此必需通過天平校準(zhǔn)來建立精確的天平公式，確定天平的精準(zhǔn)度和不確定度等性能參數(shù)。

天平校準(zhǔn)是一個設(shè)定自變量(施加的載荷)，測量因變量(天平的輸出響應(yīng))的過程，校準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型是基于一個多項式方程，其中，天平的輸出響應(yīng)看成是自變量的函數(shù)。

根據(jù)AIAA發(fā)布的“風(fēng)洞試驗(yàn)天平使用和校準(zhǔn)推薦做法”報告，在天平校準(zhǔn)中，該數(shù)學(xué)模型一般都取到二次項，但在有些情況下，需要增加純?nèi)雾棥＠?，在美國NASA蘭利研究中心，天平校準(zhǔn)采用取到二次項的做法;在歐洲ETW風(fēng)洞，天平校準(zhǔn)則采用增加純?nèi)雾椀淖龇āＲ虼?，對于一個六分量天平，校準(zhǔn)模型取到二次項就有27個系數(shù)需要確定，如增加純?nèi)雾?，就?3個系數(shù)需要確定。

天平校準(zhǔn)及校準(zhǔn)誤差評估在一定的載荷范圍內(nèi)進(jìn)行，通常是在天平設(shè)計的正和負(fù)滿量程范圍內(nèi)確定校準(zhǔn)施加的載荷，所有的這些校準(zhǔn)載荷組合在一起，就構(gòu)成了一個校準(zhǔn)載荷表，校準(zhǔn)載荷表的設(shè)計涉及天平校準(zhǔn)的效率、精準(zhǔn)度和數(shù)據(jù)分析方法等，校準(zhǔn)載荷表及加載方法均是國外天平校準(zhǔn)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。2

校準(zhǔn)技術(shù)研究從20世紀(jì)40年代開始，風(fēng)洞天平校準(zhǔn)從使用單分量人工加載天平校準(zhǔn)臺發(fā)展到六分量自動天平校準(zhǔn)機(jī)，逐步形成了當(dāng)今風(fēng)洞天平校準(zhǔn)普遍采用的硬件裝置和邏輯方法。為了滿足高性能航空航天飛行器研制對風(fēng)洞試驗(yàn)精細(xì)化提出的更高要求，隨著科技的發(fā)展，國外對風(fēng)洞天平校準(zhǔn)技術(shù)已有新的認(rèn)識和發(fā)展。

校準(zhǔn)裝置改進(jìn)德國TUD大學(xué)在為歐洲跨聲速風(fēng)洞(ETW)設(shè)計制造的自動天平校準(zhǔn)機(jī)基礎(chǔ)上，于2007年為本校風(fēng)洞設(shè)備設(shè)計制造了第二代自動天平校準(zhǔn)機(jī)。該機(jī)優(yōu)化了框架的質(zhì)量和剛度分布，擴(kuò)展了校準(zhǔn)載荷范圍，使校準(zhǔn)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形最小化。同時，通過采用壓力控制器和高品質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，化了校準(zhǔn)機(jī)的校準(zhǔn)載荷發(fā)生器系統(tǒng)。通過改進(jìn)降低了自動天平校準(zhǔn)機(jī)的制造成本。

NASA蘭利研究中心對單矢量人工祛碼加載天平校準(zhǔn)臺也計劃做進(jìn)一步的完善工作。例如，硬件系統(tǒng)完善包括更高的校準(zhǔn)載荷加載范圍;自動化方面的完善包括非測量端定位、載荷點(diǎn)定位和校準(zhǔn)載荷施加;為研究新校準(zhǔn)方法，增加溫度和壓力干擾因素模擬手段等。

校準(zhǔn)裝置不確定度評估天平校準(zhǔn)裝置中各環(huán)節(jié)的誤差將傳導(dǎo)到天平校準(zhǔn)結(jié)果中，為此，美、歐都開展了對天平校準(zhǔn)設(shè)備的不確定度評估分析研究工作，確定了各自擁有校準(zhǔn)設(shè)備的誤差源和不確定度。美國NASA蘭利研究中心的研究認(rèn)為:在標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)應(yīng)用中，需要自動校準(zhǔn)機(jī)與簡化的人工校準(zhǔn)二者相結(jié)合，這樣校準(zhǔn)將更加有效可靠。

基于MDOE的天平校準(zhǔn)方法MDOE是美國NASA蘭利研究中心為改進(jìn)航空航天研究的質(zhì)量和提高生產(chǎn)率而倡導(dǎo)的一種科學(xué)試驗(yàn)方法，它是實(shí)驗(yàn)設(shè)計、執(zhí)行和分析的集成。MDOE方法已成功運(yùn)用于蘭利中心的許多學(xué)科領(lǐng)域，其中包括風(fēng)洞試驗(yàn)和天平校準(zhǔn)。

美國NASA蘭利研究中心針對其單矢量天平校準(zhǔn)臺，完成了MDOE方法所需的軟件和技術(shù)研究，發(fā)展了二階和三階校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法。通過新集成的硬件系統(tǒng)和MDOE方法應(yīng)用，優(yōu)化天平校準(zhǔn)過程。

DNW(德/荷風(fēng)洞聯(lián)合體)儀器儀表和控制部的科研人員在六分量自動天平校準(zhǔn)機(jī)上，開展了基于MDOE的天平校準(zhǔn)方法與傳統(tǒng)OFA7校準(zhǔn)方法的對比研究。在天平校準(zhǔn)研究中，用傳統(tǒng)OFAT方法完成一臺六分量天平校準(zhǔn)，加載矩陣用了734個點(diǎn);應(yīng)用MDOE方法，加載矩陣點(diǎn)減少到103個點(diǎn)，加載按隨機(jī)和有序兩種方式實(shí)施。研究結(jié)果表明:傳統(tǒng)OFA7校準(zhǔn)需要的加載量是MDOE方法的7倍;從校準(zhǔn)精度看，似乎傳統(tǒng)的方法較好，二者差異在天平滿量程的0.01%量級，均滿足天平的校準(zhǔn)精度要求;校準(zhǔn)點(diǎn)和驗(yàn)證點(diǎn)結(jié)果比較，MDOE方法的準(zhǔn)度較好。在天平校準(zhǔn)中還有很多環(huán)節(jié)可以應(yīng)用MDOE方法，這也是DNW后續(xù)研究和努力的方向，DNW的目標(biāo)是使MDOE天平校準(zhǔn)方法成為一種成熟可靠的標(biāo)準(zhǔn)天平校準(zhǔn)方法。

校準(zhǔn)載荷表校準(zhǔn)載荷表的設(shè)計直接影響校準(zhǔn)的效率和校準(zhǔn)的精準(zhǔn)度。因此，針對所用的校準(zhǔn)設(shè)備，構(gòu)建最有效的校準(zhǔn)載荷表是天平校準(zhǔn)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。近年來，DNW儀器儀表和控制部開展了這方面的研究，對比分析了三種校準(zhǔn)載荷表:一是OFAT校準(zhǔn)載荷表，即:固定天平其他元載荷，每次只變化一個校準(zhǔn)元，其最大的缺點(diǎn)就是需要的加載校準(zhǔn)點(diǎn)多，校準(zhǔn)天平各元的組合變化多;二是單矢量校準(zhǔn)載荷表，這是美國NASA蘭利中心使用單矢量校準(zhǔn)臺校準(zhǔn)天平所采用的;三是設(shè)計優(yōu)化校準(zhǔn)載荷表，這是DNW研究的利用計算機(jī)自動生成校準(zhǔn)載荷表，目的是使校準(zhǔn)系數(shù)的方差最小化和使各元載荷共線性最小化，以便獲得最大的校準(zhǔn)效率和最優(yōu)的校準(zhǔn)精準(zhǔn)度。