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高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制

张璜炜 向光伟 吕彬彬 汪多炜 余立

张璜炜, 向光伟, 吕彬彬, 等. 高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制[J]. 实验流体力学, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
引用本文: 张璜炜, 向光伟, 吕彬彬, 等. 高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制[J]. 实验流体力学, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
ZHANG H W, XIANG G W, LYU B B, et al. Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182
Citation: ZHANG H W, XIANG G W, LYU B B, et al. Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(6): 70-75 doi: 10.11729/syltlx20210182

高精度六分量微量滚转力矩气浮天平研制

doi: 10.11729/syltlx20210182
详细信息
    作者简介:

    张璜炜:(1992—),男,福建云霄人,工程师。研究方向:风洞天平设计与应用。通信地址:四川省北川羌族自治县永安镇101信箱(621000)。E-mail:zhw34270@126.com

    通讯作者:

    E-mail:xiangguangwei@cardc.cn

  • 中图分类号: V211.752

Development of high-precision micro-rolling moment gas bearing balance

  • 摘要: 小型化再入飞行体表面在再入过程中发生烧蚀,造成外形的小不对称,从而产生一个微量滚转力矩。为了在高超声速风洞中获得小型化再入飞行体烧蚀模型高精度小不对称滚转力矩测量数据,同时获得其他五分量气动力数据,研制了一套六分量装配式微量滚转力矩气浮天平。天平滚转力矩设计载荷为0.02 N·m,轴向力设计载荷为200 N,量级差异悬殊。针对此问题,提出了“4+2”天平总体测力方案,即四分量主天平元件配合二分量滚转力矩–轴向力元件完成极不匹配的六分量气动力测量。静态校准及风洞试验结果表明:天平具有良好的分辨率,抗干扰能力强,受温度影响小,滚转力矩系数测量结果达到了10–7量级。所研制的气浮天平受温度影响小,可重复使用,能够同时测量包括微量滚转力矩在内的6个气动力分量,大幅提升了试验效率,降低了因模型拆装引起的误差。
  • 图  1  气浮天平方案示意图

    Figure  1.  Scheme diagram of gas bearing balance

    图  2  气浮天平结构图

    Figure  2.  Structure chart of gas bearing balance

    图  3  主天平元件结构图

    Figure  3.  Structure chart of main balance

    图  4  滚转力矩–轴向力元件结构图

    Figure  4.  Structure chart of MxX balance

    图  5  综合载荷下天平装配体应力云图

    Figure  5.  Stress nephogram of balance assembly under comprehensive load

    表  1  气浮天平设计载荷

    Table  1.   Design load of gas bearing balance

    分量 设计载荷/N 分量 设计载荷/(N·m)
    X 200 Mx 0.02
    Y 50 My 1
    Z 50 Mz 1
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    表  2  各分量输出计算

    Table  2.   Output calculation of each component

    分量 贴片处
    应变/10−6
    电桥
    类型
    电压/
    V
    应变计
    灵敏度系数
    理论输出/
    mV
    X 157 10 2.1 3.3
    Y 182 10 2.1 7.6
    Z 182 10 2.1 7.6
    Mx 148 10 2.1 3.1
    My 135 10 2.1 5.7
    Mz 135 10 2.1 5.7
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    表  3  应力分析结果

    Table  3.   Stress analysis results

    分量 应力/MPa 分量 应力/MPa
    X 105.4 Mx 46.1
    Y 80.4 Mz 52.0
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    表  4  天平校准结果

    Table  4.   Balance calibration results

    分量 综合加载
    误差/%FS
    综合
    重复性/%FS
    分量 综合加载
    误差/%FS
    综合
    重复性/%FS
    X 0.21 Mx 0.38 0.16
    Y 0.03 0.03 My 0.04 0.03
    Z 0.11 0.06 Mz 0.05 0.04
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    表  5  部分模型测试结果

    Table  5.   Some model test results

    序号模型滚转角/(°)马赫数Cl0
    1 0#标模 0 8 −8.0220 × 10−5
    2 0#标模 0 5 −1.2320 × 10−4
    3 1#标模 0 8 −2.5550 × 10−6
    4 1#标模 0 5 −5.9800 × 10−5
    5 2#标模 0 8 −3.4320 × 10−5
    6 2#标模 0 8 −3.4190 × 10−5
    7 2#标模 0 5 −1.2320 × 10−4
    8 1# 0 8 −9.5680 × 10−7
    9 1# 0 5 4.2640 × 10−6
    10 2# 0 8 6.7800 × 10−6
    11 2# 0 5 4.7250 × 10−5
    12 3# 0 8 −9.9020 × 10−7
    13 4# 0 8 −1.7320 × 10−7
    14 5# 60 5 1.6820 × 10−5
    15 5# 120 5 2.7080 × 10−5
    16 5# 180 5 2.9140 × 10−5
    17 5# 0 5 2.3490 × 10−5
    18 5# 0 5 2.3040 × 10−5
    19 5# 0 5 2.3620 × 10−5
    20 5# 0 5 2.2960 × 10−5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-12
  • 修回日期:  2021-11-24
  • 录用日期:  2022-01-04
  • 网络出版日期:  2022-04-07
  • 刊出日期:  2023-12-25

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    2021年8月13日