FD-09 风洞单点腹支撑系统研制

张永升，尹世博，刘 丹，贾 毅，郎卫东

( 中国航天空气动力技术研究院，北京 100074)

0 引 言

早期的低速风洞试验常采用外式机械天平，与之相适应，模型多采用腹部支撑。后来由于应变天平等技术的发展，机械天平逐步被淘汰，进而尾撑也逐步取代腹撑成为低速风洞中广泛应用的模型支撑方式。近年来，随着我国支线客机和大型飞机等项目研制的发展，对低速风洞相关试验技术也提出了相应的需求。由于客机、运输机及轰炸机等飞机的后机身呈船尾形上翘收缩，若采用尾撑，必须较大地修改后机身几何外形，这会导致模型尾部绕流畸变，气动力模拟遭到破坏。因此在发展运输机风洞试验技术的过程中，腹支撑又重新得到了低速风洞的重视。

低速风洞的腹支撑有很多种，按支撑点数目分有单点、双点和三点共3 种［1-5］。单点腹支撑即在模型腹部只有一个支撑点，比较有代表性的主要是法国ONERA 的F1 风洞和DFVLR 哥廷根的3m ×3m 风洞的单点腹支撑系统［1，6］。其使用内式天平，改变迎角时，整个支杆绕风洞下方的弧形轨道旋转，迎角最大到40°；侧滑角通过整个机构绕竖直轴旋转实现，侧滑角最大到30°；模型运动过程中模型参考点所处的位置是保持不变的。双点腹支撑主要包括前后双支杆两点支撑和主支杆附带俯仰支臂的两点支撑两种方式，它们都属于前后两点串列式支撑。三点腹支撑通常采用三支杆支撑和叉形支架三点支撑［7］两种形式。双点和三点腹支撑是我国低速风洞主要采用的腹支撑方式，可以使用机械天平和内式应变天平。而单点腹支撑是一种新型的腹支撑方式，目前国内对单点腹支撑系统的研究非常少，只有本文讨论的FD-09风洞单点腹支撑和8m ×6m 风洞单点腹支撑两套机构［8-10］。与双点和三点腹支撑相比，单点腹支撑由于支撑点少，对模型绕流干扰较小并且模型设计也比较简单。

为了在FD-09 风洞中发展新型的腹支撑系统，基于FD-09 风洞现有的下大迎角机构，设计研制了FD-09 风洞内式应变天平单点腹支撑系统。单点腹支撑系统于2011 年研制成功并投入使用，先后进行了运输机和无人机等多项试验任务，试验皆取得了很好的结果。本文对单点腹支撑系统的设计特点、试验方法、数据处理、关键技术及应用结果等进行了分析。

1 FD-09 低速风洞

FD-09 风洞是一座单回流闭口低速风洞，试验段横截面为四角圆化正方形，FD-09 风洞的气动布局见图1。

图1 FD-09 风洞气动布局图Fig.1 The layout of FD-09 wind tunnel

FD-09 风洞主要参数如下： 试验段截面尺寸：3m×3m；试验段长度： 14m； 空风洞最大风速： 100m/s；试验段平均湍流度：0.13%；试验段轴向静压梯度：0。

2 单点腹支撑系统的设计特点

FD-09 风洞单点腹支撑系统主要由迎角机构、腹支杆和内式天平等组成，如图2 所示。迎角机构使用风洞现有的下大迎角机构，为平行四边形双立杆组合件，通过后立杆的上下移动可以改变迎角，通过转盘转动可以改变侧滑角。腹支杆截面为圆形( 直径70mm) ，其底端垂直固定在迎角机构的接头上，顶端通过一个90°的接头连接内式六分量应变天平，则模型机身轴线与腹支杆成垂直角度安装。

图2 FD-09 风洞单点腹支撑系统Fig.2 The single point ventral support system in FD-09 wind tunnel

FD-09 风洞单点腹支撑系统在风洞现有的平行四边形迎角机构的基础上通过改造实现了模型的单点腹支撑，具有系统简便实用、模型设计简单、支撑干扰相对稳定等特点。

利用FD-09 风洞现有的迎角机构，只需要设计新的接头和新的腹支杆即可实现单点腹支撑，改造方案简单易行、成本较低。迎角机构的驱动部件位于风洞外部，风洞内机构简洁，对流场干扰较小。整套机构安装拆卸方便，节省了试验准备时间，提高了试验效率，具有很好的实用性。由于采用了单点腹撑，且迎角机构不用设置在模型内部，所以试验模型的设计比较简单；因为只需要设计一个支撑点位置，对模型表面的破坏也比较少，提高了气动力模拟的保真度。在迎角变化过程中，单点腹支杆始终与模型机身轴线保持垂直，不会像双点或三点腹支撑那样，迎角越大腹支杆越靠近机身尾部，对尾翼的干扰也越大。单点腹支撑的支杆与机身尾部的夹角和距离是固定不变的，所以迎角变化过程中腹支杆对尾翼的干扰比双点或三点腹支撑要相对小一些。

与8m×6m 风洞单点腹支撑系统比较而言，FD-09 风洞单点腹支撑系统具有以下独特的优势：8m ×6m 风洞单点腹支撑系统的迎角机构位于试验段内部的模型后方，通过在迎角机构上安装“L”形支杆的方式实现单点腹支撑；而FD-09 风洞单点腹支撑系统的迎角机构主体部件位于试验段外部，试验段内主要是腹支杆部件，所以流场比较干净，试验机构产生的干扰大大减小。

FD-09 风洞单点腹支撑系统的主要性能指标如下：迎角变化范围-40° ～40°，侧滑角变化范围-30° ～30°，角度精度0.05°。

3 试验方法和数据处理

3.1 试验方法

试验时模型正装于单点腹支撑系统上，抬头为正迎角。纵向试验过程中固定动压、侧滑角，连续改变迎角进行试验；横向试验过程中固定动压、迎角，连续改变侧滑角进行试验。支架干扰量试验通过两步法获得，即模型反装有/无镜像支杆的试验数据相减即可获得支架干扰量。

3.2 数据处理

试验数据处理时进行了如下修正：(1) 气流偏角修正；(2) 风洞落差系数修正； ( 3) 洞壁干扰修正；(4) 支架干扰修正。

4 关键技术及应用结果分析

4.1 支杆人工固定转捩

FD-09 风洞单点腹支撑系统的支杆截面为圆形，既可用于纵向试验也可用于横向试验，加工也比较方便。但是圆截面的流动是分离流，对雷诺数比较敏感。在低速风洞中支杆绕流雷诺数一般处于临界雷诺数范围，此时支杆的边界层十分不稳定，它处于由层流分离转变为湍流分离的过渡区，支杆绕流的不稳定导致了支杆对模型的干扰也不稳定。为了解决这个问题，必须在支杆表面采用人工固定转捩的方法使支杆边界层变成稳定的湍流状态。FD-09 风洞单点腹支撑系统采用的是在支杆表面缠绕尼龙网布［1］的方法，如图2 所示。为了进行支杆干扰量的测量，镜像支杆也在表面缠绕了尼龙网布进行人工固定转捩。

4.2 地面效应试验

在进行地面效应试验时，用刚性支架将地板支撑固定于风洞下洞壁，地板为蜂窝结构的铝制地板，长5.6m，宽2.95m。地板上相应位置开槽用于通过腹支杆，开槽处用海绵填充，并在地板下表面用胶皮密封，以减轻地板串气产生的影响。地面效应试验照片如图3 所示。

图3 地面效应试验Fig.3 Ground effect test

地面效应试验中需要模拟模型的离地高度，在迎角变化时，模型的离地高度会发生变化。为了保证迎角改变后模型还处在相同离地高度，需要通过迎角机构的整体升沉运动来调整模型离地高度。如果每变化一个迎角就通过尺子测量调整一次高度，则工作繁琐、效率低下。为了简化工作程序并提高试验效率，采用了光学测量标定方法。在迎角机构上布置一定长度的光栅尺位移传感器，通过光栅数显表读取光栅尺数据。在每一个迎角下，通过调节迎角机构的升沉使模型达到所需的离地高度，记录下此时光栅数显表上的数据，这样就可以得到整个迎角序列内不同迎角下保持相同离地高度所对应的光栅尺数据。正式试验前标定好不同迎角和不同离地高度下光栅尺数据的矩阵，正式试验时只需要在测控间内通过调节迎角机构的升沉使光栅尺读数调整到所对应的标定矩阵数据即可。使用光栅尺测量调整模型离地高度，精度较高、操作简单，有效提高了试验效率。

4.3 试验重复性精度

使用试验模型进行了纵向和横向的7 次重复性试验，重复性试验精度计算结果和国军标精度指标［11］的对比如表1 所示。

表1 7 次重复性试验均方根误差(≤10°)Table 1 Root mean square errors of 7 repeated tests(≤10°，10°)

表1 7 次重复性试验均方根误差(≤10°)Table 1 Root mean square errors of 7 repeated tests(≤10°，10°)

纵向 σCL σCD σCm β=0° 0.00166 0.00044 0.00040国军标合格 0.0040 0.00050 0.0012国军标先进 0.0010 0.00020 0.0003横向 σCl σCn σCY β=8° 0.00015 0.00017 0.00064国军标合格 0.0005 0.0005 0.0012国军标先进0.0001 0.0001 0.0003

从表1 可以看出，纵向和横向的重复性试验精度结果均达到了国军标合格指标的要求，并且有4 个分量( 升力、俯仰力矩、滚转、偏航) 接近国军标的先进指标。总体来说，FD-09 风洞单点腹支撑系统的重复性试验精度较高，可以满足型号试验的需求。

4.4 支杆干扰量

图4 给出了试验模型纵向基本试验( β =0°) 的支杆干扰量曲线。可以看出，在失速迎角之前支杆干扰量的波动量非常小，是一个比较稳定的量； 在失速之后，支杆干扰量略有变化。总体来说，支杆对升力和阻力的干扰量比较小，但是对俯仰力矩的干扰量是一个大量。由于失速之前支杆干扰量是一个比较稳定的量，所以支杆干扰量只是引起纵向气动曲线的平移，对纵向气动曲线的斜率( CL～α 和Cm～α) 没有影响。

图5 给出了试验模型横向基本试验( α =8°) 的支杆干扰量曲线。可以看出，支杆对横向气动系数的干扰量很小，波动量也很小，并且有较好的线性，干扰量的正负侧滑角对称性也比较好。总体来说，支杆对横向气动系数的干扰量是一个线性的小量。由于支杆对横向气动系数的干扰量是一个有较小斜率的线性量，所以支杆干扰会引起横向气动曲线的斜率( Cl～β、Cn～β 和CY～β) 略有减小。

图5 横向试验支杆干扰量Fig.5 Ventral support interference of lateral test

综上所述，支杆对俯仰力矩的干扰量是一个比较稳定的大量，支杆对其它5 个分量的干扰量是一个稳定或线性的小量。所以FD-09风洞单点腹支撑系统的支杆干扰是比较稳定的，并且对大部分气动分量的干扰量是小量，这对于腹撑试验结果是有利的，说明FD-09 风洞单点腹支撑系统适合开展飞机型号的腹撑试验。

FD-09 风洞原来使用的是双点腹支撑系统，表2给出了单点腹支撑系统与双点腹支撑系统纵向试验的支杆干扰量比较。

表2 支杆干扰量比较Table 2 Compare of ventral support interference

从表2 可以看出，单点腹支撑系统的支杆干扰量要明显小于双点腹支撑系统，说明单点腹支撑系统具有支杆干扰较小的优势。

5 结 论

本文介绍了FD-09 风洞单点腹支撑系统的研制和应用结果，可以得出如下结论：

(1) FD-09 风洞研制的单点腹支撑系统是一种新型的腹支撑形式，具有系统简便实用、模型设计简单、支撑干扰稳定等特点；

(2) 在地面效应试验中使用布置光栅尺位移传感器的新方法取代了传统的测量方法，大大提高了地面效应试验的控制精度和试验效率；

(3) 单点腹支撑系统的试验重复性精度较高，部分指标已经接近国军标的先进指标，可以满足型号试验的需求；

(4) 单点腹支撑系统的支杆干扰是比较稳定的，且对大部分气动分量的干扰量是小量，所以单点腹支撑系统适合开展飞机型号的腹撑试验；

(5) 与双点腹支撑系统比较而言，单点腹支撑系统具有支杆干扰较小的优势。

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