《高空飛艇螺旋槳車載試驗系統(tǒng)設計與驗證》.pdf

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1、2015年6月西北工業(yè)大學學報June2015第33卷第3期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVoI．33No．3高空飛艇螺旋槳車載試驗系統(tǒng)設計與驗證焦俊，宋筆鋒，張玉剛，李育斌(西北工業(yè)大學航空學院，陜西西安710072)摘要：針對高空飛艇螺旋槳低雷諾數(shù)高馬赫數(shù)的氣動特性，設計了一種車栽試驗測控系統(tǒng)，將螺旋槳、電機、電源和測控設備等安裝在運輸車上，通過改變螺旋槳試驗海拔高度改變試驗環(huán)境大氣參數(shù)，得到不同密度下的螺旋槳性能。該測控系統(tǒng)使用一種組合式傳感器天平，利用基于虛擬儀

2、器的Lab—VIEW開發(fā)軟件實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)采集和儀器控制，并根據(jù)車載試驗的特點提出了車載試驗的數(shù)據(jù)處理方法。通過對比分析車載試驗的結果和CFD計算數(shù)據(jù)可知，二者基本吻合，從而驗證了高空飛艇螺旋槳車載試驗測控系統(tǒng)的可行性。關鍵詞：高空飛艇；螺旋槳；車載試驗；測控系統(tǒng)；虛擬儀器中圖分類號：V221文獻標志碼：A文章編號：1000—2758(2015)03—0369—06高空飛艇具有長期駐空、機動定點、能耗低、安等，并在這些平臺上開展了高空飛艇螺旋槳翼型和全性高的特點，近年來成為各國關注和發(fā)展的熱點。性能試驗研究。但是這些試驗方案都

3、存在費用螺旋槳具有質(zhì)量輕、驅(qū)動低速飛行的高效性能，能夠高，周期長，技術難度大等問題。滿足高空飛艇高空長航時飛行對動力推進系統(tǒng)的需本文針對高空飛艇螺旋槳的氣動特性，提出了求¨。]。高空飛艇巡航或定點高度一般為20km左利用車載試驗技術，將螺旋槳模型及電機、電源、測右的平流層空間，大氣密度較低，致使螺旋槳翼型的控系統(tǒng)等安裝在經(jīng)過改裝的運輸車上，運輸車以某雷諾數(shù)很低，翼型的附面層轉(zhuǎn)捩、分離等問題較為突一固定速度在平直路面上穩(wěn)定運行，啟動試驗系統(tǒng)出j。另一方面，為了彌補平流層大氣密度低引起后測量螺旋槳的拉力、扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。通過的螺

4、旋槳拉力和功率損失，保證推進系統(tǒng)具有足夠改變車速、螺旋槳轉(zhuǎn)速、海拔高度就可以得到高空飛的抗風和推進能力，高空飛艇螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速都艇螺旋槳不同密度、轉(zhuǎn)速以及風速下的拉力、扭矩曲較大，導致槳葉葉尖局部馬赫數(shù)較高甚至出現(xiàn)激波，線。最后通過車載試驗結果和CFD計算數(shù)據(jù)對比進一步加劇了氣流分離損失J。分析，從而驗證了車載試驗測控系統(tǒng)的可行性。在螺旋槳實驗方面，如果要同時模擬低雷諾數(shù)和高馬赫數(shù)相似準則制作縮比模型進行風洞實驗，1車載試驗測控系統(tǒng)設計模型尺寸必須很小，并且要求風洞來流湍流度很低，這給高空飛艇螺旋槳風洞實驗帶來了很大的困1．

5、1硬件結構難]。同時，由于螺旋槳槳葉受載后的形狀和靜態(tài)高空螺旋槳車載試驗系統(tǒng)包括運載平臺即運輸相比差別很大而氣動載荷和相應的結構變形事先未車、試驗平臺包括試驗對象即螺旋槳、電機系統(tǒng)即伺知的，高空飛艇螺旋槳性能試驗最好采用全尺寸服電機及減速器、螺旋槳供電系統(tǒng)即發(fā)電機及穩(wěn)壓模型。電源，測控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)即測量天平、風速為了獲得高空飛艇螺旋槳的氣動性能數(shù)據(jù)，國風向儀、溫濕壓傳感器、控制系統(tǒng)即電機控制器以及外已經(jīng)提出了不少試驗方案，例如建設變密度風洞、試驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)即測控計算機，試驗系統(tǒng)結構總APEX飛行試驗計劃以及螺旋槳高空

6、飛行試驗平臺收稿日期：2014·10．28作者簡介：焦俊(1989一)，西北工業(yè)大學博士研究生，主要從事飛行器總體設計研究。第3期搽幡R輯焦俊，等：高空飛艇螺旋槳車載試驗系統(tǒng)設計與驗證O0OOO穩(wěn)定，導致試驗結果偏差。3)模型本身的模擬偏差。該試驗的測量對象是6．8m的螺旋槳，大尺寸的螺旋槳槳葉受載后的形狀和靜態(tài)相比差別很大，氣動載荷和相應的結構變形也是未知的。而數(shù)值計算過程中是將螺旋槳模型作為剛性體作為計算對象的，因而結果有所偏差。4結論O相對于航空螺旋槳氣動性能的風洞試驗，高空軋籟螺旋槳試驗最主要的難點是需要滿足螺旋槳低雷

7、諾l簀簍o數(shù)高馬赫數(shù)的要求。在不同來流迎角、速度和大氣密度下，通過進行螺旋槳性能車載測試試驗，能夠得到螺旋槳的詳細性能圖譜。本文主要內(nèi)容有：O1)提出了基于虛擬儀器的車載試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)前進比b)功率系數(shù)對比了系統(tǒng)的硬件構建和軟件設計，設計了一種組合式的傳感器天平。圖11高海拔螺旋槳、試驗值與計算值對比2)通過對車載試驗系統(tǒng)的外界流場、振動、實際實驗條件等影響因素的分析，給出了車載試驗過引起的振動干擾，螺旋槳轉(zhuǎn)速高時，產(chǎn)生的氣動力較程中的實驗方法步驟和結果數(shù)據(jù)處理方法。大，振動干擾的相對量就很小，螺旋槳轉(zhuǎn)速較低時，3)對車載試驗

8、系統(tǒng)進行了驗證性實驗，完成高螺旋槳產(chǎn)生的氣動拉力和轉(zhuǎn)矩較小，試驗數(shù)據(jù)就可空螺旋槳全尺寸實驗模型不同海拔高度下的性能實能被振動干擾量掩蓋，所以，在大前進比的試驗狀態(tài)驗，通過與CFD數(shù)值計算方法進行對比，驗證了螺下車載試驗結果與CFD計算結果誤差較大，而小前旋槳車載試驗系統(tǒng)合理可