旋轉天平試驗

旋轉天平試驗是指在風洞中使飛機模型繞某一軸作旋轉運動，測量氣流流過旋轉模型時其所受的空氣動力的試驗，是研究飛機失速/尾旋特性的試驗之一。

旋轉天平是用來獲得尾旋運動中複雜氣動特性的重要手段。該裝置是模擬飛機在失速狀態下，機身圍繞某一軸旋轉的同時，飛機自身同時旋轉的複合運動，通過對旋轉天平空氣動力學數據進行測量，進而對尾旋特性進行分析研究。

還可以套用旋轉天平數據和動導數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，並與試飛結果獲得了良好的相關性，而且套用旋轉天平數據進行穩態尾旋的預測，其結果與試飛結果也相當一致。旋轉天平數據不能用其他數據所代替，只能來自旋轉天平的風洞試驗。

基本介紹

• 中文名：旋轉天平試驗
• 外文名：rotary balance test
• 套用學科：空氣動力學
• 實驗類型：飛機失速/尾旋特性的試驗之一
• 實驗設備：旋轉天平
• 作用：測量流過旋轉模型時受的空氣動力

背景

高性能戰鬥機在大攻角飛行時發生的失速/尾旋，情況十分複雜，一直嚴重地危及飛行安全，應該特別認真對待。據統計，美國空軍從1966年至1970年出現的失速/尾旋事故占總事故的7.4%。在1965年至1970年五年間，失速/尾旋事故導至美國空軍每年損失4500萬美元。70年代中期，F-4鬼怪式飛機曾因尾旋事故損失170架，成為當時突出的問題。80年代初期，美國在對F/A-18A戰鬥機失速/尾旋試飛研究中，儘管動用了常規風洞、尾旋風洞、風洞自由飛、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覆驗證，確信該飛機具有良好的抗偏離/尾旋特性，但在最後的試飛中仍有一架飛機因進入意外的偏離模態而失事。

飛機失速/尾旋的試驗技術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)尾旋風洞試驗

(2)風洞模型自由飛試驗

(3)旋轉天平試驗

(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年代後期開始研製旋轉天平，1994年已能進行旋轉天平試驗，並相應地開展了尾旋模態的解析研究。

簡介

旋轉天平是用來獲得尾旋運動中複雜氣動特性的重要手段。該裝置是模擬飛機在失速狀態下，機身圍繞某一軸旋轉的同時，飛機自身同時旋轉的複合運動，通過對旋轉天平空氣動力學數據進行測量，進而對尾旋特性進行分析研究。

還可以套用旋轉天平數據和動導數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，並與試飛結果獲得了良好的相關性，而且套用旋轉天平數據進行穩態尾旋的預測，其結果與試飛結果也相當一致。旋轉天平數據不能用其他數據所代替，只能來自旋轉天平的風洞試驗。

旋轉天平的運動原理

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

運動原理圖

在主軸旋轉之前，使滑塊沿弧形彎軌滑到所需的位置鎖定，產生 角，再使支桿相對滑塊轉動到需要的角度中並鎖定，由公式

計算出仰角 和側滑角 ，在實驗中，通常是預先給定所需要的 、 ，然後計算出 、 ，再以此進行角度調整。

旋轉天平裝置的結構設計

如圖所示，旋轉天平主要由下列幾部分組成。

角度調整結構模型，六分力天平，支桿，滑塊，變俘角機構，弧形彎軌。

主旋轉體主軸聯接體(內有信號放大器)，主軸，軸承，滑環。

主軸驅動機構傘齒輪，傳動軸，伸縮萬向節，光柵，減速器，驅動電機。

配平體配平殼體，可調鉛塊。

主機支撐系統主軸套，可調支架，風洞外龍門架體。

模型的參考中心在各種狀態下與旋轉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，並用銷釘定位來改變 角，保證模型的參考中心始終位於旋轉主軸的中心線上。在支桿的尾端有角度齒，可以改變支桿相對於滑塊的轉角。

性能特點

保證模型有足夠的尺寸，因模型展長越長對實驗越有利;模型有儘可能大的角度變化範圍;保證模型所需的無因次旋轉率的變化範圍(0.05一0.2)；實驗雷諾數大;具有較小的支架干擾和阻塞度;具有足夠的結構剛度和強度。

測控系統

測控系統總體要求

根據試驗需求，測控系統採用分散式架構，包括試驗管理子系統、運動控制子系統和天平數據採集子系統。

試驗管理子系統包含多個軟體模組，與其他子系統組成基於TCP/IP協定的區域網路系統。旋轉運動控制採用具有分散式標準結構的監視控制與數據採集(supervisory control and data acquisition ,SCADA)系統來實現，監控軟體開發平台為WinCC組態軟體。天平數據採集系統採用基於PXI匯流排技術的集成採集系統，實現靜態和動態的天平數據異步和同步的數據採集。

試驗管理子系統

試驗管理子系統是一個軟體系統，負責整個試驗的調度管理。它由中心調度軟體、天平數據採集軟體和數據處理軟體系統組成。在中心調度軟體的控制下運行，各軟體模組通過DataSocket通信機制實現指令信息和試驗數據的傳遞，DataSocket通信機制支持多種通信協定，並對TCP/IP標準進行了很好的底層封裝，開發者不用進行底層編程，就可以在測控系統中共享和傳輸現場數據並傳送與接收指令信息。中心調度軟體採用OPC通信協定與運動控制系統實現通信連線，共同構成分散式測控區域網路，從而既保障了系統的穩定運行，又確保了試驗數據的安全。

試驗管理子系統具有以下特點:

1）整個測控系統軟體基於區域網路環境，採用分散式結構。

試驗軟體系統與硬體組成結構緊密聯繫，系統總體結構採用分散式區域網路結構，由一名用戶通過中心調度管理軟體統一指揮，協調執行各子系統軟體的相應功能，綜合完成試驗任務，節省了人力成本，減少操作失誤。

2）各軟體能夠獨立穩定運行。

各軟體能夠單獨、穩定運行。一方面防止網路或個別軟體運行過程中發生異常時，整個系統不會癱瘓;另一方面，試驗數據的後期計算處理，如數據復算，只需要執行數據處理軟體，不需要整個試驗管理系統都運行，節省計算資源。

3）整個試驗管理軟體便於維護。

儘可能地減少軟體的維護難度和維護工作量，是整個軟體系統設計的出發點和最終目標。對於不同的試驗任務，數據採集、運動控制和試驗運行管理等方面都是相同的，而數據處理方面則隨著試驗類型的不同而有所不同。在設計時，筆者將數據處理軟體作為開放式設計，其他軟體則功能固化，整個子系統的維護工作主要集中於數據處理軟體，從而實現減少軟體維護的難度和維護工作量的目的。