一种风洞试验投放装置及其投放物模型设计方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，更具体地说，本发明涉及一种风洞试验投放装置及其投放物模型设计方法。

背景技术

飞行器低速投放风洞试验的主要目的是获取投放物在投放初始阶段的分离运动姿态和轨迹，判定投放物从飞行器上投放的安全性和可靠性，分析飞行器在各种迎角、侧滑角、飞行速度、高度、投放物的外形及在飞机上的悬挂位置与姿态等参数对投放物分离轨迹和姿态的影响，确定安全投放的参数范围。

试验时将飞行器模型安装在风洞试验段内，将投放物模型通过康铜丝和投放机构安装在飞行器模型的相应挂架上，在预定的试验风速和模型姿态下，操纵投放控制系统，使康铜丝熔断、投放机构的释放挂钩打开、投放物模型被释放，由高速摄影机等投放轨迹记录设备记载投放物与飞行器分离的运动轨迹。

以往投放试验时，对于外形尺寸较小的投放物模型往飞机模型上安装时，可用康铜丝直接系挂；但对于外形尺寸较大的投放物模型（如鱼雷等），由于吹风时的气动载荷较大，直接系挂难以保持投放物模型的初始姿态、甚至系挂不住，加粗康铜丝又将影响其熔断特性。这样对投放试验带来许多问题，如：试验精度不准，试验效率不高以及试验不安全，风险极大。

因此，提出了研制新的投放装置、新的投放控制系统和新的投放物设计方法等任务，来解决下列问题，如：在投放试验中投放机构的性能直接决定投放物初始姿态与真实状态的一致性、以及投放物释放与投放轨迹记录设备工作的同步时间控制精度。受试验所用飞行器模型内部空间限制，投放机构通常尺寸较小，投放机构的释放挂钩打开动作受康铜丝熔断控制，要求投放机构有较好的绝缘特性；另外要保持投放物释放前的初始姿态与真实状态的一致性，针对不同的投放物重量，投放机构的释放挂钩预紧力要求可调。

本专利提出一种风洞试验投放装置、投放控制系统及投放物设计方法很好地解决了释放挂钩预紧力可调和机构绝缘问题，在不增加投放机构尺寸条件下，可以满足不同投放物重量的低速风洞投放试验，提升了飞行器低速投放风洞试验的质量和效率。同时也考虑了试验中模型频繁安装的方便、接线柱处的绝缘、康铜丝熔断火花对某些贴近件烧蚀的防护等问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种风洞试验投放装置法，包括：

投放挂架，其通过固定螺钉固定有弹簧；所述弹簧一端与固定螺钉相接，另一端连接有模型挂钩；

所述投放挂架上固定设置有挂钩转动轴，所述模型挂钩与挂钩转动轴为转动连接；

T型斜接头，其上设置有T型斜接头转轴，所述T型斜接头通过T型斜接头转轴与模型挂钩的上端转动连接；

接线头Ⅰ，其连接在所述T型斜接头的端部，所述接线头Ⅰ的端部连接有康铜丝；接线头Ⅱ，所述康铜丝连接在接线头Ⅰ与接线头Ⅱ之间，所述接线头Ⅱ的端部连接有十字连接块；

滑动块，其滑动设置在所述投放挂架上，所述滑动块与十字连接块相接；

调距螺钉，其穿设在所述投放挂架的一侧，且所述调距螺钉的端部与滑动块固定相接；调距螺母，其位于所述投放挂架的外侧，且与所述调距螺钉螺纹连接；

电源导线，其分别与所述接线头Ⅰ和接线头Ⅱ相接；所述T型斜接头和十字连接块为绝缘材质；

投放物模型，其吊挂在所述模型挂钩上。

优选的是，其中，所述投放挂架的结构包括：

挂架体，其两侧分别可拆卸设置有左侧盖板和右侧盖板；

定位销钉，其固定设置在所述挂架体的下端，且所述挂架体通过定位销钉与投放物模型实现销钉定位；定位支足，其固定设置在所述挂架体的下端，所述定位支足与投放物模型的上表面相接触；

所述挂架体的顶部设置有用于引入电源导线的通孔和用于连接母机模型的螺纹孔。

优选的是，其中，所述投放物模型的结构包括：

中心轴螺杆，其上依次螺纹连接有弹头部、弹主体段和尾部，所述弹头部、弹主体段和尾部之间通过止口定位；

所述弹头部内设置有前配重，所述前配重与中心轴螺杆为螺纹连接；

所述弹主体段内设置有中配重，所述中配重与中心轴螺杆为螺纹连接；

所述尾部内设置有尾配重，所述尾配重与中心轴螺杆为螺纹连接；

所述前配重、中配重和尾配重的两端均通过锁紧螺母锁紧在中心轴螺杆上；

所述投放物模型内部填充有用于固定前配重、中配重和尾配重的填充物；

所述弹主体段安装有用于将投放物模型吊挂在模型挂钩上的吊挂螺钉，所述且所述吊挂螺钉位于投放物模型质量的中心线上。

优选的是，其中，所述接线头Ⅰ和接线头Ⅱ为电源接线块，所述接线头Ⅰ和接线头Ⅱ的端部分别凸出设置有

小圆柱，所述康铜丝两端分别设置有套环，所述康铜丝的套环套设在小圆柱上。

优选的是，其中，所述填充物为聚氨酯泡沫塑料。

优选的是，其中，所述投放物模型为实物或实物按缩比模拟的试验物模型。

优选的是，其中，所述投放物模型通向前配重、中配重和尾配重的表面设置有加减质量孔。

一种投放物模型设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定模型几何及动力大小；投放物模型与真实飞行器应该具有几何及动力上的相似性，对于一个确定的飞行高度，飞行器与投放物模型的弗劳德数要相似，即：

V

其中，V是飞行器的飞行速度，V

步骤二、确定投放物模型的质量；投放物模型的质量由下面的公式确定：

W

其中，W

步骤三、确定试验速度大小；投放物模型所需的气流速度由下式确定：

V

其中，V

步骤四、确定投放物模型转动惯量的大小；投放物模型的转动惯量大小由下式确定：

I

其中， I

根据步骤一~步骤四的准则和公式，计算出投放物试验模型在不同试验条件下的模型质心、质量、转动惯量参数；不断改变前配重、尾配重的质量及其到投放物模型理论要求质心位置的距离，用以调整投放物模型M

本发明至少包括以下有益效果：

（1）、本发明提供的风洞试验投放装置及其投放物设计方法很好地解决了释放挂钩预紧力可调进而机构绝缘问题，在不增加投放机构尺寸条件下，可以满足不同投放物重量的低速风洞投放试验，提升了飞行器低速投放风洞试验的质量和效率。本发明投放物模型安装方便，通过设置绝缘材质的T型斜接头和十字连接块，确保了康铜丝大电流与母机模型的绝缘，保证了人员和设备的安全；同时，本发明还解决了康铜丝熔断火花对投放装置贴近烧蚀位置的防护问题。（2）、本发明通过在投放挂架上设置定位销和定位支足，保证了试验模拟更加准确，同时也克服投放装置工作时产生的俯仰、偏航等力矩，保证了投放物模型投放脱钩瞬间垂直向下的运动；克服了投放装置工作时在投放物模型上产生的俯仰、偏航等力矩，保证了投放物模型投放脱钩瞬间投放物的稳定性。（3）、本发明提供的风洞试验投放装置及其投放物模型设计方法在国内大型低速风洞试验中属于首次使用，大幅提高了试验精度和试验效率，同时大大降低了模型岗位人员的劳动强度，还减少了认为失误、降低能耗；

本投放装置结构简单，体积小，相比于现有的各种装置具有突出的使用效果，因此本方案是具有可实施性；本发明提供的风洞试验投放装置及其投放物模型设计方法，可快速、高效、稳定地实现风洞投放试验中外挂物模型的投放，提升风洞试验效率，在实际运用中取得了优良的效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的风洞试验投放装置结构示意图；

图2为投放挂架的结构示意图；

图3为投放物模型的结构示意图；

图4为投放挂架和投放物模型的侧面结构示意图。

其中，附图标记对应的结构名称为：投放挂架A1、固定螺钉A2、弹簧A3、模型挂钩A4、挂钩转动轴A5、T型斜接头A6、T型斜接头转轴A7、接线头ⅠA8、康铜丝A9、接线头ⅡA10、十字连接块A11、滑动块A12、调距螺钉A13、挂架体A1-1、左侧盖板A1-2、定位销钉A1-4、定位支足A1-5；

投放物模型B10、弹头部B1、前配重B2、弹主体段B3、中配重B4、吊挂螺钉B5、中心轴螺杆B6、尾配重B7、尾部B8、填充物B9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-4所示：本发明的一种风洞试验投放装置，包括：

投放挂架A1，其通过固定螺钉A2固定有弹簧A3；所述弹簧A3一端与固定螺钉A2相接，另一端连接有模型挂钩A4；

所述投放挂架A1上固定设置有挂钩转动轴A5，所述模型挂钩A4与挂钩转动轴A5为转动连接；

T型斜接头A6，其上设置有T型斜接头转轴A7，所述T型斜接头A6通过T型斜接头转轴A7与模型挂钩A4的上端转动连接；

接线头ⅠA8，其连接在所述T型斜接头A6的端部，所述接线头ⅠA8的端部连接有康铜丝A9；接线头ⅡA10，所述康铜丝A9连接在接线头ⅠA8与接线头ⅡA10之间，所述接线头ⅡA10的端部连接有十字连接块A11；

滑动块A12，其滑动设置在所述投放挂架A1上，所述滑动块A12与十字连接块A11相接；

调距螺钉A13，其穿设在所述投放挂架A1的一侧，且所述调距螺钉A13的端部与滑动块A12固定相接；调距螺母，其位于所述投放挂架A1的外侧，且与所述调距螺钉A13螺纹连接；

电源导线，其分别与所述接线头ⅠA8和接线头ⅡA10相接；所述T型斜接头A6和十字连接块A11为绝缘材质；

投放物模型B10，其吊挂在所述模型挂钩A4上。

工作原理：投放试验时，在母机模型内的试验要求位置采用投放装置吊挂安装好投放物模型B10，确保投放前投放物模型B10在风载下能保持姿态稳定；投放物模型B10通过模型挂钩A4固定在投放挂架A1上，这时投放物模型B10处于投放状态；在预定的风速下，采用投放控制系统通入电流快速熔断康铜丝A9，当电流熔断康铜丝A9的瞬间，弹簧A3释放拉动模型挂钩A4绕挂钩转动轴A5转动一定角度，使投放物模型B10脱离母机模型离开母机舱，从而完成投放动作；同时投放控制装置同步触发高速相机拍摄投放物模型B10投放过程的运动影像。投放物控制系统由上位控制计算机、控制器、驱动器等构成，当康铜丝A9需要熔断时，由上位机发出熔断指令，通过控制器对投放装置进行精准控制。固定螺钉A2用于固定弹簧A3的一端和方便弹簧A3的拆装；弹簧A3主要用于张紧康铜丝A9，当康铜丝A9熔断后的瞬间使模型挂钩A4迅速绕挂钩转动轴A5转动，从而使投放物模型B10脱离投放挂架A1，弹簧A3根据试验所需和投放挂架A1内空间大小，参考国标，可选用不同弹性系数、不同长度、不同直径等的弹簧。模型挂钩A4用于吊挂投放物模型B10并可绕挂钩转动轴A5转动，模型挂钩A4的顶部一端与弹簧A3连接，另一端与T型斜接头A6连接。挂钩转动轴A5用于支撑模型挂钩A4，使模型挂钩A4能灵活转动。T型斜接头A6用于连接模型挂钩A4和接线头ⅠA8，其作用是使模型挂钩A4和接线头ⅠA8之间绝缘。T型斜接头转轴A7能使T型斜接头A6与模型挂钩A4之间实现灵活转动。康铜丝A9使用康铜丝材料制成，主要用于连接接线头ⅠA8和接线头ⅡA10，当康铜丝A9两端的接线头ⅠA8和接线头ⅡA10通大电流时，康铜丝A9能瞬间熔断，在弹簧A3作用下，使模型挂钩A4快速转动。十字连接块A11用于连接接线头ⅡA10和滑动块A12，其作用是使滑动块A12和接线头ⅡA10之间绝缘。绝缘材质的T型斜接头A6和十字连接块A11使投放装置中熔断康铜丝A9大电流与母机模型绝缘，保证试验人员和设备的安全。滑动块A12用于导向，使接线头ⅡA10和十字连接块A11在一个方向上前后滑动，便于整个投放装置稳定和康铜丝A9的安装。调距螺母和调距螺钉A13用于张紧和放松弹簧A3，拧动调距螺母时可以张紧或防松弹簧A3，张紧弹簧A3达到调整模型挂钩A4快速转动所需拉力，放松弹簧A3便于康铜丝A9的安装。图1中，T型斜接头A6与接线头ⅠA8之间、接线头ⅡA10与十字连接块A11之间、十字连接块A11与滑动块A12之间均通过螺钉实现固定连接。

在上述技术方案中，所述投放挂架A1的结构包括：

挂架体A1-1，其两侧分别可拆卸设置有左侧盖板A1-2和右侧盖板；左侧盖板A1-2、右侧盖板由绝缘材料加工制成，一是使挂架体A1-1内部的投放机构不外露，遮蔽熔断康铜丝A9的闪光，保护试验过程中的高速摄像机，二是使挂架体A1-1不漏电

定位销钉A1-4，其固定设置在所述挂架体A1-1的下端，且所述挂架体A1-1通过定位销钉A1-4与投放物模型B10实现销钉定位；定位支足A1-5，其固定设置在所述挂架体A1-1的下端，所述定位支足A1-5与投放物模型B10的上表面相接触；定位销钉A1-4用于承受投放物模型B10的气流阻力以及投放装置工作时产生的俯仰、偏航等力矩，保证投放物模型B10投放脱钩瞬间运动方向垂直向下。定位支足A1-5主要模拟投放架实物外形，保证试验模拟更加准确，同时也克服投放装置工作时在投放物模型B10上产生的俯仰、偏航等力矩，保证投放物模型B10投放脱钩瞬间的稳定性。

所述挂架体A1-1的顶部设置有用于引入电源导线的通孔和用于连接母机模型的螺纹孔。

投放装置进行装配时，首先用固定螺钉A2把弹簧A3的一端固定在挂架体A1-1上，弹簧A3的另一端与模型挂钩A4连接；第二步模型挂钩A4通过挂钩转动轴A5安装在投放挂架A1上，同时模型挂钩A4通过T型斜接头A6、T型斜接头转轴A7与接线头ⅠA8连接，模型挂钩A4与T型斜接头A6之间可转动；第三步接线头ⅡA10通过十字连接块A11、沉头螺钉连接滑动块A12，连接滑动块A12的另一端与安装在挂架体A1-1上的调距螺钉A13连接；第四步用康铜丝A9连接接线头ⅠA8和接线头ⅡA10。通过上述步骤把固定螺钉A2、弹簧A3、模型挂钩A4、挂钩转动轴A5、T型斜接头A6、T型斜接头转轴A7、接线头ⅠA8、康铜丝A9、接线头ⅡA10、十字连接块A11、滑动块A12、调距螺钉A13等零部件装配在挂架体A1-1内，形成一个有完整受力链的投放机构。调整调距螺钉A13在投放挂架A1上的距离位置，可以张紧或放松投放装置内的弹簧；投放机构张紧时保持模型挂钩A4的水平垂直位置并挂住投放物模型B10，调距螺钉可改变弹簧的张力大小和模型挂钩A4的转动时间；投放装置放松时，便于康铜丝A9在接线头ⅠA8和接线头ⅡA10之间的安装。投放控制系统的电源导线穿过投放挂架A1顶部上的通孔，用T型斜接头转轴A7及螺钉与接线头ⅠA8和接线头ⅡA10牢固连接，电源导线上的大电流可瞬间熔断套在接线头ⅠA8和接线头ⅡA10之间的康铜丝A9，使弹簧A3拉动模型挂钩A4快速绕挂钩转动轴A5转动，从而使投放物模型B10脱离模型挂钩A4进行投放。投放装置内的零部件安装完成、动作无误后，再安装挂架体A1-1两侧的左侧盖板A1-2、右侧盖板和挂架体A1-1底部的两定位销钉A1-4、两定位支足A1-5。以上工作就完成一个投放装置的组装和调试。

在上述技术方案中，所述投放物模型B10的结构包括：

中心轴螺杆B6，其上依次螺纹连接有弹头部B1、弹主体段B3和尾部B8，所述弹头部B1、弹主体段B3和尾部B8之间通过止口定位；

所述弹头部B1内设置有前配重B2，所述前配重B2与中心轴螺杆B6为螺纹连接；

所述弹主体段B3内设置有中配重B4，所述中配重B4与中心轴螺杆B6为螺纹连接；

所述尾部B8内设置有尾配重B7，所述尾配重B7与中心轴螺杆B6为螺纹连接；

所述前配重B2、中配重B4和尾配重B7的两端均通过锁紧螺母锁紧在中心轴螺杆B6上；

所述投放物模型B10内部填充有用于固定前配重B2、中配重B4和尾配重B7的填充物B9；

所述弹主体段B3安装有用于将投放物模型B10吊挂在模型挂钩A4上的吊挂螺钉B5，所述且所述吊挂螺钉B5位于投放物模型B10质量的中心线上。弹头部B1、弹主体段B3和尾部B8之间通过止口定位，这样的设置一是便于投放物模型B10的加工，二是便于投放物模型B10内部零部件的组装和装配精度，三是便于投放物模型B10惯量质量的调整。吊挂螺钉B5用于投放物模型B10在投放挂架A1上的挂接，它的位置设计在投放物模型B10的质量中心线上，使投放物模型B10试验投放脱钩时，保证投放物模型B10是垂直向下，没有其它附加力。前配重B2、中配重B4和尾配重B7的设计，用于调整投放物模型B10的质量、惯量等参数；前配重B2与尾配重B7配合，不断改变前配重B2、尾配重B7的质量及其到投放物模型B10理论要求质心位置的距离，可改变投放物模型B10的M

投放物模型B10外壳由LY12-CZ铝材制作，在保证投放物模型B10外壳强度的情况下，尽量使内部配重的容积较大，使投放物模型B10有较大的调整质量惯量的余地。模型内部填充聚氨酯泡沫塑料固定模型的前配重B2、中配重B4和尾配重B7，通向各个配重处的投放物模型B10表面设计有加减质量孔，在精确控制转动惯量和质心位置时，就可以同构加减质量孔在其内部放置额外的小配重以达目的。为有利于高速摄影、轨迹判读和结果分析，投放物模型B10表面颜色与母机模型颜色有明显区别，通常投放物模型B10表面喷白漆，标有代号，并有重心位置标记和判别滚转的特殊图案。

投放物各零部件按三维数模和二维图纸加工完成后，首先把前配重B2、中配重B4、尾配重B7装在中心轴螺杆B6上的设计位置，用螺母把每个配重在中心轴螺杆B6上前后锁紧；第二步装配弹主体段B3，使中配重B4中心对准弹主体段B3上的投放物模型B10理论重心；第三步在弹主体段B3的前后分别安装弹头部B1和尾部B8；第四步在弹主体段B3上安装吊挂螺钉B5，并调节好与模型挂钩A4的距离和方向；第五步在投放物模型B10内部填充比重较轻的发泡材料，进一步稳固投放物模型B10内部的零部件；第六步对投放物的质量惯量等参数技术指标进行检测，根据检测数据进一步微调整投放物模型B10各试验参数指标，直到满足试验要求；第七步对投放物模型B10进行表面配色和打标记，便于试验过程摄像机的摄影拍照和后期影像的判读。

投放物模型B10的设计和装配过程中，先根据试验要求，设置拔脱力悬挂钩；然后根据试验需求，显示投放物模型B10重心位置对应外表面沿轴向均匀标记6个标记点，以便于试验时黏贴光学测量标记点。

在上述技术方案中，所述接线头ⅠA8和接线头ⅡA10为电源接线块，所述接线头ⅠA8和接线头ⅡA10的端部分别凸出设置有小圆柱，所述康铜丝A9两端分别设置有套环，所述康铜丝A9的套环套设在小圆柱上。小圆柱的设置方便快速安装康铜丝。

在上述技术方案中，所述填充物B9为聚氨酯泡沫塑料。

在上述技术方案中，所述投放物模型B10为实物或实物按缩比模拟的试验物模型。

在上述技术方案中，所述投放物模型B10通向前配重、中配重和尾配重的表面设置有加减质量孔。

一种投放物模型设计方法，包括以下步骤：

步骤一、确定模型几何及动力大小；投放物模型与真实飞行器应该具有几何及动力上的相似性，对于一个确定的飞行高度，飞行器与投放物模型的弗劳德数要相似，即：

V

其中，V是飞行器的飞行速度，V

步骤二、确定投放物模型的质量；投放物模型的质量由下面的公式确定：

W

其中，W

步骤三、确定试验速度大小；投放物模型所需的气流速度由下式确定：

V

其中，V

步骤四、确定投放物模型转动惯量的大小；投放物模型的转动惯量大小由下式确定：

I

其中， I

根据步骤一~步骤四的准则和公式，计算出投放物试验模型在不同试验条件下的模型质心、质量、转动惯量参数；不断改变前配重、尾配重的质量及其到投放物模型理论要求质心位置的距离，用以调整投放物模型M

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。