空氣動力天平

空氣動力天平，又稱風洞天平，是風洞中用以測量氣流作用在模型上的空氣動力和力矩的測量設備。

它能將空氣動力和力矩沿 3個相互垂直的坐標軸系分解並進行精確測量。風洞天平按測力的性質分為靜態測力天平和動態測力天平兩類，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。靜態測力天平有內式和外式等多種形式，按結構和測量原理分為機械式、應變式、壓電式和磁懸掛等形式。機械式天平主要用於低速風洞，常見有張線式和硬架式兩種。

基本介紹

• 中文名：空氣動力天平
• 外文名：aerodynamical balance
• 套用學科：空氣動力學
• 又稱：風洞天平
• 分類：靜態測力天平和動態測力天平
• 套用領域：風洞試驗

簡介

空氣動力天平，又稱風洞天平，是測量風洞中作用在模型上的空氣動力和力矩的設備。它能將空氣動力和力矩沿 3個相互垂直的坐標軸系分解並進行精確測量。風洞天平按測力的性質分為靜態測力天平和動態測力天平兩類，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。靜態測力天平有內式和外式等多種形式，按結構和測量原理分為機械式、應變式、壓電式和磁懸掛等形式。機械式天平主要用於低速風洞，常見有張線式和硬架式兩種。

研究現狀

風洞是一種特殊的基礎設施，國內外從事該行業的機構和人員較少。但是由於空氣動力學關係著國家飛行器的發展，國際上歐美等已開發國家都有自己的風洞，用於研究先進飛行器的氣動特性，也有各自的風洞天平以及相應的天平信息管理方式，但是由於先進飛行器研究關係著國家的命運，肯定存在著技術保密等情況，相關天平的一些信息不可能公開，我們無法獲知國外風洞天平信息管理的情況。

國內從事風洞天平研究的機構不多，主要從事天平技術研究的機構除氣動中心外，還有中國航空工業空氣動力研究院(哈爾濱627和瀋陽626所)、中國航天空氣動力技術研究院(北京701所)，目前均未對天平的信息進行自動化管理，還停留在紙質化管理階段。

校準簡介

背景

風洞模型試驗是航空航天飛行器研製過程中了解飛行器性能、降低飛行器研製風險和成本的重要手段之一，風洞天平則是直接感應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。風洞天平技術涉及天平材料、結構設計分析、加工製造技術、應變感測器技術和天平校準技術等。通常，天平校準可細分為靜態校準和動態校準，靜態校準是依據天平校準原理，利用天平校準裝置，按照一定的校準方法，建立天平測量信號與所受氣動載荷關係的過程，即獲取天平公式和天平其他性能參數的過程。動態校準則是在靜態校準的基礎上，利用標模，在風洞中進一步校驗天平性能的過程。由於風洞天平靜校決定天平校準的效率和天平公式的準確性，關係到天平未來套用中模型氣動數據測量的精準度，所以天平靜校被認為是天平設計過程中最重要的環節。

概念簡述

風洞天平是一種能感應和測量試驗模型上所受載荷的感測測量裝置。風洞天平在結構上設計有感應特定載荷作用下產生應變的結構彈性元，如升力元、阻力元等。在這些結構彈性元上，貼上有電阻應變片並組成惠斯登電橋，每個電橋都主要針對一個自由度上的載荷，根據各電橋的電信號輸出可以計算得到作用在試驗模型上的氣動力和力矩。這種風洞天平測量的基本原理產生於20世紀40年代，至今沒有改變。近年來，已有光纖應變片在風洞天平上進行套用研究。

由於作用在風洞模型六個自由度上的氣動載荷大小差別較大，儘管現代天平在結構設計時，利用計算機，採用了有限元分析、最佳化等先進設計技術，充分考慮天平各結構彈性元對其他載荷的抗干擾性，但由於天平空間尺度相對較小、結構複雜，各結構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來建立精確的天平公式，確定天平的精準度和不確定度等性能參數。

天平校準是一個設定自變數(施加的載荷)，測量因變數(天平的輸出回響)的過程，校準數學模型是基於一個多項式方程，其中，天平的輸出回響看成是自變數的函式。

根據AIAA發布的“風洞試驗天平使用和校準推薦做法”報告，在天平校準中，該數學模型一般都取到二次項，但在有些情況下，需要增加純三次項。例如，在美國NASA蘭利研究中心，天平校準採用取到二次項的做法;在歐洲ETW風洞，天平校準則採用增加純三次項的做法。因此，對於一個六分量天平，校準模型取到二次項就有27個係數需要確定，如增加純三次項，就有33個係數需要確定。

天平校準及校準誤差評估在一定的載荷範圍內進行，通常是在天平設計的正和負滿量程範圍內確定校準施加的載荷，所有的這些校準載荷組合在一起，就構成了一個校準載荷表，校準載荷表的設計涉及天平校準的效率、精準度和數據分析方法等，校準載荷表及載入方法均是國外天平校準技術研究的重要內容。

校準技術研究

從20世紀40年代開始，風洞天平校準從使用單分量人工載入天平校準台發展到六分量自動天平校準機，逐步形成了當今風洞天平校準普遍採用的硬體裝置和邏輯方法。為了滿足高性能航空航天飛行器研製對風洞試驗精細化提出的更高要求，隨著科技的發展，國外對風洞天平校準技術已有新的認識和發展。

校準裝置改進

德國TUD大學在為歐洲跨聲速風洞(ETW)設計製造的自動天平校準機基礎上，於2007年為本校風洞設備設計製造了第二代自動天平校準機。該機最佳化了框架的質量和剛度分布，擴展了校準載荷範圍，使校準機內部結構變形最小化。同時，通過採用壓力控制器和高品質數據採集系統，化了校準機的校準載荷發生器系統。通過改進降低了自動天平校準機的製造成本。

NASA蘭利研究中心對單矢量人工祛碼載入天平校準台也計畫做進一步的完善工作。例如，硬體系統完善包括更高的校準載荷載入範圍;自動化方面的完善包括非測量端定位、載荷點定位和校準載荷施加;為研究新校準方法，增加溫度和壓力干擾因素模擬手段等。

校準裝置不確定度評估

天平校準裝置中各環節的誤差將傳導到天平校準結果中，為此，美、歐都開展了對天平校準設備的不確定度評估分析研究工作，確定了各自擁有校準設備的誤差源和不確定度。美國NASA蘭利研究中心的研究認為:在標準的校準套用中，需要自動校準機與簡化的人工校準二者相結合，這樣校準將更加有效可靠。

基於MDOE的天平校準方法

MDOE是美國NASA蘭利研究中心為改進航空航天研究的質量和提高生產率而倡導的一種科學試驗方法，它是實驗設計、執行和分析的集成。MDOE方法已成功運用於蘭利中心的許多學科領域，其中包括風洞試驗和天平校準。

美國NASA蘭利研究中心針對其單矢量天平校準台，完成了MDOE方法所需的軟體和技術研究，發展了二階和三階校準實驗設計方法。通過新集成的硬體系統和MDOE方法套用，最佳化天平校準過程。

DNW(德/荷風洞聯合體)儀器儀表和控制部的科研人員在六分量自動天平校準機上，開展了基於MDOE的天平校準方法與傳統OFA7校準方法的對比研究。在天平校準研究中，用傳統OFAT方法完成一台六分量天平校準，載入矩陣用了734個點;套用MDOE方法，載入矩陣點減少到103個點，載入按隨機和有序兩種方式實施。研究結果表明:傳統OFA7校準需要的載入量是MDOE方法的7倍;從校準精度看，似乎傳統的方法較好，二者差異在天平滿量程的0.01%量級，均滿足天平的校準精度要求;校準點和驗證點結果比較，MDOE方法的準度較好。在天平校準中還有很多環節可以套用MDOE方法，這也是DNW後續研究和努力的方向，DNW的目標是使MDOE天平校準方法成為一種成熟可靠的標準天平校準方法。

校準載荷表

校準載荷表的設計直接影響校準的效率和校準的精準度。因此，針對所用的校準設備，構建最有效的校準載荷表是天平校準技術研究的重要內容。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載荷表:一是OFAT校準載荷表，即:固定天平其他元載荷，每次只變化一個校準元，其最大的缺點就是需要的載入校準點多，校準天平各元的組合變化多;二是單矢量校準載荷表，這是美國NASA蘭利中心使用單矢量校準台校準天平所採用的;三是設計最佳化校準載荷表，這是DNW研究的利用計算機自動生成校準載荷表，目的是使校準係數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效率和最優的校準精準度。