0 引言
高超声速飞行器被视为新一代飞行技术,相关的气动力/热问题的研究不能完全通过仿真计算得到,仍依赖于风洞试验。国内大多数的暂冲式高超声速风洞最高马赫数可到M9,模拟更高马赫数的流场只能采用脉冲式高超声速风洞[1-6]。
我院脉冲式高超声速风洞有效运行时间为5～60 ms,最高可以模拟M14的均匀流场。有效试验时间短,气动载荷小是制约高马赫数气动力试验测量精度的主要原因。我院脉冲风洞天平结构稳定,刚度较高,满足大部分高马赫数测力试验需求,但对于M14小攻角情况下,某些外形最大气动力载荷仅为10～20 N,输出气动载荷信号量甚至与噪声信号量级相当,亟需提升高马赫数小载荷气动力测量精准度。针对小载荷短时测力存在的问题,从以下两方面改善数据品质:① 应用新型敏感元器件半导体应变计,大幅提高天平输出,提高试验数据准度;② 研究天平动态补偿方法,应用于脉冲风洞测力试验中,旨在快速收敛有效试验时间内的输出曲线,提高试验数据精度。半导体应变片用于高马赫数短时测力技术中,可满足高刚度高灵敏度测量需求。此外半导体应变计还具体动态响应速度快的优点,可缩短测量响应时间[7-11]。
半导体应变计缺点在于温度效应较大,阻值和灵敏度系数均受温度变化影响,随着半导体应变计的发展,国内外均开展对温补型半导体应变计的研究,目前国内温补型半导体应变计温漂仍然较大,国外自动补偿温度型半导体应变计性能更为稳定。
1 小载荷短时测力技术
1.1 高刚度天平设计
目前已有天平结构中,选用方梁作为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩测量的敏感元件,故侧向与法向刚度相当。轴向力和滚转力矩元件区域刚度大,相应的模态频率更高。根据仿真及试验结果可知,现有天平一阶固有频率振动方向为法向,二阶为侧向,且两者相差不大,因此以满足法向刚度及输出需求为目标,设计两分量应变天平S9(法向力、俯仰力矩)。
如图1所示。新天平长158 mm,直径为φ44 mm,法向力、俯仰力矩测量元件选用方梁,尺寸为21 mm×21 mm。采用ABAQUS有限元软件进行仿真分析,天平材料为30CrMnSiA,六面体网格划分,全局网格控制,单元大小为1 mm,单元总数为 185 562,得到S9天平一阶固有频率为1 478.6 Hz,振动方向为法向。对比已有六分量S6天平,去掉滚转力矩元件、轴向元件,一阶固有频率提高1倍(见表1)。S9天平一阶固有频率节点位移云图如图2所示,最大振动振幅1 mm。
表1 天平固有频率对比(Hz)
Table 1 Frequency of S6 &S9
阶数S6天平S9天平1750.221 478.602785.601 490.60
图1 S9天平三维图
Fig.1 Balance S9
图2 S9天平一阶固有频率节点位移云图
Fig.2 Node displacement contours of S9
1.2 静态校准
天平S9敏感元件粘贴温度自补偿型半导体应变片,应变片性能如表2所示。对贴片后的天平(见图3)进行静态校准,以获得天平公式,采用相同检验载荷进行3次加载,天平Y(法向力)和Mz(俯仰力矩)准度均在5‰以内(见表3),优于《风洞应变天平规范》中天平静态校准合格指标,Mz指标优于静态校准先进指标。
表2 半导体应变计性能
Table 2 Performance of semiconductor strain gauge
电阻值(23 ℃)/Ω灵敏度系数温度自补偿范围/(°)333.610710～70
表3 S9天平的静校准度结果
Table 3 The accuracy of balance S9
序号Mz准度/‰FSY准度/‰FS10.652.8120.851.0430.302.37
图3 高刚度高灵敏性半导体应变天平(S9)
Fig.3 S9 balance with high rigidity and high sensitivity
为了衡量半导体应变计温度效应对试验结果的影响,对S9天平进行不同环境温度的4次静态校准见表4。天平各分量准度均在5‰以内,同样优于《风洞应变天平规范》中天平静态校准合格指标。4次静校结果可见,一定范围内温度变化对半导体应变计输出影响并不明显,且非规律性变化,因此在短时气动力测量试验中,吹风环境温度与校准环境温度温相差小于5 ℃,可忽略环境温度对天平准度的影响。此外脉冲风洞试验时间仅为毫秒量级,气流温度无法在试验时间内通过模型传递至天平,可忽略试验气体温度对天平准度的影响。
表4 S9天平的静校准度结果
Table 4 The accuracy of balance S9 with different temperature
序号Mz准度/‰FSY准度/‰FS温度/℃湿度/%10.711.3023.44120.512.2723.54130.421.1520.56240.451.4319.855
为对比半导体应变计和电阻应变计的灵敏度,以1.1中的S6天平为例,S6天平是我院目前较常用的脉冲风洞六分量应变天平,各分量采用电阻应变计组全桥测量,天平一阶固有频率为750 Hz,法向方向。S9天平一阶固有频率为1 478 Hz,较S6天平提高约1倍,法向力施加相同载荷40 kg时,S9输出(mv/v)约为S6的20倍(见表5)[12-14],将刚度因素考虑进来(mV/V/με),约为S6天平的40倍,可见半导体应变计灵敏度明显优于电阻应变计。
表5 S9天平与S6天平输出效果对比
Table 5 The comparison of S6 and S9
天平代号S6S9应变计类型箔式半导体法向载荷Y/kg4040计算输出Y/με4020静校输出Y/(mV·V-1)0.084 01.699 6俯仰力矩Mz/(kg·m)2.880.9静校输出Mz/(mV·V-1)0.486 43.252 5
1.3 动态校准
由于脉冲风洞有效时间为毫秒量级,采集到的信号波动量较大,为改善短时测力系统动态性能,设计动态补偿滤波器,缩短系统响应时间,使信号快速收敛并趋于稳定,或在误差允许范围内波动。
为了获得风洞测试系统的整体传递函数,对模型/天平/支杆/风洞支撑机构组成的测试系统进行动态校准。试验模型为升力体外形,图4为除模型外的测试系统动态校准图。通过在模型端施加负阶跃载荷,获得该模型所在测试系统的动态响应曲线,通过系统辨识获得该系统的传递函数,基于此传递函数建立动态补偿滤波器,用于短时测力试验数据补偿,缩短系统响应时间,抑制信号大范围波动,降低不同有效试验区间内数据结果差异性。通过动态补偿后的系统可以达到3 ms完全响应(见图5),补偿后的曲线快速收敛,且波动量小,趋于平稳。
图4 风洞天平动态校准示意图
Fig.4 Dynamic calibration of the wind tunnel balance
图5 风洞天平动态补偿结果
Fig.5 The result of balance dynamic compensation
1.4 风洞试验验证
为了确定动态补偿技术对风洞试验精准度的提升程度,采用已有升力体外形进行吹风试验,地面试验设备为FD-20脉冲风洞和FD-21高能脉冲风洞[14]。
1.4.1 FD-20脉冲风洞试验
FD-20脉冲风洞已承接20余项型号测力试验,可提供马赫数范围6～14的均匀流场,试验时长约30～60 ms,本次试验选取工况为M8,模型攻角14°。
图6为试验原始曲线。对比总压曲线和法向力曲线,可知有效试验时间约为50 ms(0.21～0.26 s),将法向力试验曲线通过动态补偿滤波器,如图7所示。补偿后的曲线震荡大幅减小,在30～40 ms范围内补偿曲线区域平缓,作为试验结果大大降低由于选取试验区间不同引入的数据误差。
图6 FD-20风洞试验曲线
Fig.6 The output of the balance in wind tunnel FD-20
图7 补偿后的法向力信号试验曲线
Fig.7 The normal force signal with signal compensation
将上述工况重复5次,结果如表6所示。试验结果的精度按照测量不确定度A类评定进行评定,用标准差表征,得到常规计算方法的不确定度为2.3%,动态补偿后的不确定度结果为1.48%。
表6 FD-20风洞试验下Y载荷的数据处理结果
Table 6 The normal force result with &without signal compensation
车次常规计算方法(20 ms平均)动态补偿处理(5 ms平均)235155.7150.1236154.2149.7237158.7154.3238159.7154.0240150.6150.5
注:每个车次有具体的数据选择区间范围,常规计算方法选取约20 ms读数区间。
1.4.2 FD-21脉冲风洞试验
FD-21高能脉冲风洞为2 m量级脉冲风洞,可提供高焓来流条件。本次试验选取状态为M10,模型攻角14°,试验有效时间约为10 ms。以往FD-20数据处理方法是选择稳定区域进行时均处理,对于高能脉冲风洞有效试验时间仅为10 ms,原始信号的有效周期很少,采用动态补偿处理可以更好的获得其载荷值,如果采用常规的求时均方法,很难在 10 ms范围内找到合适的区间,而补偿后的信号有效区域平缓,便于获得载荷值。
图8为FD-21风洞总压和法向力试验曲线。从图8中可以看出天平响应相比于总压响应延迟8 ms,是由于喷管尺寸较长(12 m),气流传递所致,不影响最终气动力载荷结果。选取约10 ms的有效试验区间进行动态补偿,结果如图9所示。信号超调时间大幅度降低,更快的趋于平稳。
图8 FD-21风洞试验曲线
Fig.8 The output of the balance in wind tunnel FD-21
图9 补偿后的法向力信号试验曲线
Fig.9 The normal force signal with signal compensation
从结果来看,半导体应变天平能够更满足FD-21短时的信号响应。而且动态补偿技术的应用,可以便于在信号响应后的10 ms内找到平稳段,并进行采集和处理。常规的时均方法目前很难在FD-21如此短的时间内应用。
该模型在FD-20风洞开展的往期试验结果与本次试验对比如表7所示。由于2个风洞的动压不同,因此,结果需要考虑实际动压的影响。计算过程中载荷和动压成线性关系,FD-20试验结果与FD-21试验结果的动压比例为5.5倍,因此将FD-20的128 N换算后为23.3 N。而FD-21的试验结果为25.77 N。以此作为2次试验的结果对比,较为接近。
表7 模型Ma=10下的试验结果对比
Table 7 The comparison of Ma=10 results
风洞代号马赫数总压/MPa动压/Pa载荷Y/NFD201013.833 884128FD21103.86 16025.77
2 结论
通过天平结构优化和引入新型敏感元器件解决刚度与灵敏度之间的矛盾,完成高刚度高灵敏度天平设计,并通过动态补偿技术提高短时测力技术的重复性精度,提升试验数据准度。
1) 设计的高刚度高灵敏度应变天平一阶固有频率为 1 478.6 Hz,相同载荷输出提高约40倍(mV/V/με)。
2) 新天平静态校准精准度均优于风洞应变天平规范中静态性能校准指标。
3) 新天平动态校准重复性较好,动态补偿后的试验曲线快速收敛。
4) 动态补偿技术的应用可以满足10 ms量级脉冲风洞气动数据测量需求,常规的时均方法目前很难在FD-21如此短的时间内应用。
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