用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平及试验方法

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平及试验方法。

背景技术

再入飞行器在再入过程中由于气动烧蚀和侵蚀的作用，气动外形呈现小不对称特征，从而产生较小量级的滚转力矩，这将对其气动力特性，包括升阻特性、力矩特性（包括俯仰力矩和滚转力矩）和静动态稳定性等产生明显的影响。此外，对于无翼或者舵布局的导弹而言，安装非对称布置的电缆罩和吊挂，也会引起较小量值的滚转力矩。

在小量级滚转力矩作用下，当飞形器滚转速率与俯仰速率接近时易发生滚转共振现象，极大降低飞行性能；飞行器滚转速率接近零时，将导致落点精度下降；同时也可能由于配平迎角过大而产生过大的横向过载，带来结构强度方面的问题。如何准确地测定此小量级滚转力矩，为再入飞行器的滚控设计提供依据显得尤为重要。若气动力参数预测不准确（尤其是滚转特性、俯仰力矩特性的预测偏差），会对操纵性和稳定性能产生非常显著的影响，可能导致落点散布大、命中精度低，攻角发散、滚转共振等，甚至造成飞行器的失控。

当前，亟需发展一种用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平及试验方法。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的试验方法，发展风洞环境下精确测量小滚转力矩的测试技术。

本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平，其特点是，所述的轮辐式半导体天平采用T形梁米字布局的轮辐式结构，通过机械加工工艺和线切割加工工艺整体加工成型，包括同中心轴的内环和外环，在内环和外环之间设置有沿周向均匀交错分布的T型构件和矩形柱；

T型构件的竖直段在内环的外圈生根，水平段的两端固定在外环的内圈，水平段的中段与外环的内圈之间设置有隔离缝隙；

矩形柱的下端在内环的外圈生根，矩形柱的上端为悬空端，矩形柱的上端对应的外环的内圈设置有与矩形柱的上端的方形端面相匹配的矩形凹槽，方形端面与矩形凹槽之间设置有间隙；

各T型构件的竖直段的根部两侧粘贴有背对的半导体应变计。

进一步地，所述的轮辐式半导体天平的材质为F141，测量精度为优于0.3%F.S。

进一步地，所述的T型构件的竖直段沿径向的截面为尖劈型，顶角范围为2°~5°；水平段的厚度是尖劈的最大厚度的0.2~0.4倍。

进一步地，所述的半导体应变计为温度自补偿半导体应变计，温度自补偿半导体应变计设置有温度补偿电阻和零点补偿电阻，补偿后，轮辐式半导体天平的温度和零点漂移均不超过1mV。

进一步地，所述的T型构件有4个，第一组的1号半导体应变计和2号半导体应变计的输出电压分别为V

Mz=（V

本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的试验方法，包括以下步骤：

S10.校准轮辐式半导体天平；

通过地面校准系统校准轮辐式半导体天平，将获得的校准公式输入高超声速风洞测控系统；

S20.安装轮辐式半导体天平；

将轮辐式半导体天平的内环通过1:5配合锥面与支杆连接，安装在高超声速风洞的支撑机构上；将模型套装在轮辐式半导体天平的外环上；通过均匀分布在外环上的若干个带销螺钉，将外环固定在模型的安装端面上；

S30.进行试验；

启动高超声速风洞，具有高超声速风洞来流时，进行小滚转力矩气动力试验，风洞来流马赫数范围为马赫数4～马赫数7；

S40.数据处理；

试验完成后，高超声速风洞测控系统将获取的轮辐式半导体天平的输出电压结合校准公式进行数据处理和显示。

本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平具有以下特点：

1.通过轮辐式设计，增大了天平对于滚转力矩的灵敏度；

2.使用半导体应变计，实现了天平轮辐式敏感梁的微小应变测量；

3.通过半导体应变计的温度自补偿结构，减小甚至消除了天平的温度效应。

本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平采用T形梁米字布局的轮辐式结构，是一种单分量小滚转力矩天平。同时，为了防止天平在安装和试验过程中出现的滚转力矩过大而损坏，在T型构件之间采用矩形柱和矩形凹槽作为限位结构，限制了T型构件的最大变形。此外，通过半导体应变计，提高了灵敏度；通过在半导体应变计片上布置温度自补偿结构，降低甚至消除了温度漂移。

简而言之，本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平通过轮辐式天平结构提高了小滚转力矩测量精度，并防止在安装和试验过程中出现的冲击载荷损坏天平；通过半导体应变计提高了灵敏度；通过半导体应变计片上布置温度自补偿结构以降低甚至消除温度漂移。同时，本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的试验方法简便，获得的高精度的单分量小滚转力矩能够为高超声速飞行器设计提供技术支持。

附图说明

图1a为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的结构及应变计贴片示意图（主视图）；

图1b为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的结构及应变计贴片示意图（侧视图）；

图1c为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的等轴测视图；

图2为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平中的T型构件环结构示意图；

图3为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平中的矩形柱示意图；

图4为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平使用的温度自补偿半导体应变计结构示意图；

图5为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平使用的温度自补偿原理图；

图6为本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平与模型装配图。

图中，A.内环；B.外环；C.T型构件；D.矩形柱；E.模型；F.支杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1a、图1b、图1c所示，本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平采用T形梁米字布局的轮辐式结构，通过机械加工工艺和线切割加工工艺整体加工成型，包括同中心轴的内环A和外环B，在内环A和外环B之间设置有沿周向均匀交错分布的T型构件C和矩形柱D；

如图2所示，T型构件C的竖直段在内环A的外圈生根，水平段的两端固定在外环B的内圈，水平段的中段与外环B的内圈之间设置有隔离缝隙；

如图3所示，矩形柱D的下端在内环A的外圈生根，矩形柱D的上端为悬空端，矩形柱D的上端对应的外环B的内圈设置有与矩形柱D的上端的方形端面相匹配的矩形凹槽，方形端面与矩形凹槽之间设置有间隙；

各T型构件C的竖直段的根部两侧粘贴有背对的半导体应变计。

进一步地，所述的轮辐式半导体天平的材质为F141，测量精度为优于0.3%F.S。

进一步地，所述的T型构件C的竖直段沿径向的截面为尖劈型，顶角范围为2°~5°；水平段的厚度是尖劈的最大厚度的0.2~0.4倍。

进一步地，所述的半导体应变计为温度自补偿半导体应变计，温度自补偿半导体应变计设置有温度补偿电阻和零点补偿电阻，补偿后，轮辐式半导体天平的温度和零点漂移均不超过1mV。

进一步地，所述的T型构件C有4个，第一组的1号半导体应变计和2号半导体应变计的输出电压分别为V

Mz=（V

本发明的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平的试验方法，包括以下步骤：

S10.校准轮辐式半导体天平；

通过地面校准系统校准轮辐式半导体天平，将获得的校准公式输入高超声速风洞测控系统；

S20.安装轮辐式半导体天平；

如图6所示，将轮辐式半导体天平的内环A通过1:5配合锥面与支杆F连接，安装在高超声速风洞的支撑机构上；将模型E套装在轮辐式半导体天平的外环B上；通过均匀分布在外环B上的若干个带销螺钉，将外环B固定在模型E的安装端面上；

S30.进行试验；

启动高超声速风洞，具有高超声速风洞来流时，进行小滚转力矩气动力试验，风洞来流马赫数范围为马赫数4～马赫数7；

S40.数据处理；

试验完成后，高超声速风洞测控系统将获取的轮辐式半导体天平的输出电压结合校准公式进行数据处理和显示。

实施例1：

本实施例的模型Ｅ为升力体高超声速飞行器的简化外形模型，升力体高超声速飞行器一般采用升阻比较大的升力体构型或翼身组合体构型，以高超声速再入大气层，依靠气动力抵消一部分地心引力以实现在临近空间区域内进行远距离跳跃式滑翔飞行，从而增大航程。

本实施例的内环A为固定端，通过1:5配合锥面与支杆F连接；外环B为法兰盘，通过4个带销螺钉与模型Ｅ固定连接；T型构件Ｃ为滚转力矩测量的敏感元件，内环Ａ与外环Ｂ之间通过均布的T型构件Ｃ连接；均布的矩形柱Ｄ固定在内环Ａ的外圈，矩形柱Ｄ的方形端面与外环Ｂ的矩形凹槽之间的间隙，构成防过载保护结构。当模型Ｅ受到滚转力矩作用时，发生转动，并带动外环B转动，使得内环A和外环B之间的T型构件C产生变形。通过测量半导体应变计的变形输出，即可得到较小的滚转力矩；当受到较大的滚转力矩时，模型Ｅ发生较大的转动，矩形柱Ｄ的方形端面与外环Ｂ的矩形凹槽之间产生碰触，对T型构件Ｃ进行防过载保护。T型构件Ｃ的水平段主要用作支撑梁，能够承受较大的法向载荷和一定的侧向载荷，水平段尽量减薄，以削弱T型构件Ｃ的滚转自由度刚度满足滚转灵敏度设计要求。

图4为本实施例使用的温度自补偿半导体应变计结构示意图。半导体应变计的Vs+1、Vs+2、Vs-、V+和V-为接线端。应变计引线的一般规范如下：电源输入端V+端引线为红色，V-端引线为蓝色，信号输出端Vs+1和Vs+2端引线为黄色，Vs-端引线为黑色。应变计到接线端子306的引线采用相同的带绝缘胶线缆。引线尾端标识应变计编号。测量桥路走线规范（尽量做到横平竖直）、无虚焊现象。

图5为本实施例使用的半导体应变计的温度自补偿原理图，其中，R0为温度补偿电阻，R

本文所述的用于小滚转力矩风洞试验的轮辐式半导体天平仅为一种实施例，实际上有许多种天平结构可以实现本发明中的小滚转力矩气动力测量功能，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明的保护范围内。