CN106644378A - 一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法 - Google Patents

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黄淼
刘涛
张家旭
吴彬
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Abstract

本发明提出一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法。试验装置包括单船身模型1、拖车14、测桥7、滑动装置、传感器***和载荷模拟***。在水面飞行器水动力性能单船身模型水池试验过程中，主要通过拖车14对试验速度进行控制，利用升沉杆4和滑车3保证单船身模型1能沿纵向和横向***，在重心处用铰接底座10铰接的方式使模型在俯仰方向能自由转动，并采用导航杆6避免试验过程中模型发生偏航运动。本发明利用重心连接杆与模型连接，由于重心连接杆始终保持垂直且在垂向能***，其下端与试验模型铰接，因此能始终保证拖曳力在水平方向，不会对模型施加向上或者向下的力，从而避免了对试验模型的干扰。

Description

一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法
技术领域
本发明涉及水面飞行器水池试验技术领域，具体为一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法。
背景技术
水面飞行器既可在水面安全起降，又可在空中高速飞行，相对于陆基飞机和水面舰船而言水面飞行器具有独特的优势，在国防建设和国民经济发展中具有重要作用。水面飞行器既可用于兵员物资运输、海上巡逻侦查预警、攻击水面舰艇和反潜等军事任务，也可用于海上搜救、环境监测、森林灭火等民用领域。随着我国国防建设和经济发展，对高性能水面飞行器的需求日益迫切。
单船身模型水池试验是研究水面飞行器水动力性能的一种简单、成本较低的方法，得到的试验数据能直观的反应出水面飞行器的水阻力、滑行稳定性，作为判断飞机性能是否满足总体设计指标的依据，并根据试验结果对船体外形参数修改提供参考。
常规的单船身模型采用拖线式的试验方法，当模型在垂向有上下运动时引起拖曳角度改变，拖线会对试验模型施加一个向上或者向下的力，从而对模型的真实运动状态带来干扰，无法准确的反应出试验模型在水动力作用下的运动特性。
发明内容
针对现有的常规拖线式试验方法的不足，本发明提出了一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法。
本发明的技术方案为：
所述一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：包括单船身模型(1)、拖车(14)、测桥(7)、滑动装置、传感器***和载荷模拟***；
单船身模型(1)通过滑动装置安装在拖车(14)下方的测桥(7)上；所述滑动装置与单船身模型(1)重心处的铰接底座(10)铰接，单船身模型(1)能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动单船身模型(1)在一定范围内上下以及沿测桥(7)前后***；
单船身模型(1)前端带有导航片(5)，测桥(7)上安装有导航杆(6)，导航杆(6)与导航片(5)配合用于防止试验过程中单船身模型(1)产生偏航；
传感器***包括阻力仪(8)、位移计(11)和倾角仪(13)；阻力仪(8)安装在测桥(7)上，并通过细软钢索(9)与滑动装置中水平移动部件连接；位移计(11)安装在拖车(14)顶部，并通过钢索(12)与滑动装置中垂直移动部件连接；倾角仪(13)安装在单船身模型(1)上；
载荷模拟***安装在拖车(14)上，并与滑动装置中垂直移动部件连接，模拟气动升力。
进一步的优选方案，所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑车(3)、升沉杆(4)和重心连接杆(2)；滑车(3)安装在测桥(7)上，并能沿测桥(7)前后滑动；升沉杆(4)穿过滑车(3)，并能在滑车(3)上做垂直方向***；重心连接杆(2)下端与安装在单船身模型(1)重心位置处的铰接底座(10)铰接，上端与升沉杆(4)固定连接。
进一步的优选方案，所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：滑车前限位器(15)和滑车后限位器(16)分别安装在测桥(7)上，并位于滑车(3)的两端，滑车(3)的运动范围由固定在测桥(7)上的滑车前限位器(15)、滑车后限位器(16)和细软钢索(9)约束。
进一步的优选方案，所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：载荷模拟***分为模拟气动升力的载荷模拟***和模拟低头力矩的载荷模拟***；模拟低头力矩的载荷模拟***安装在拖车(14)上，并与单船身模型(1)重心后部位置连接。
所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试；
步骤2：根据公式
Mx＝Mm-λ3M(1-(V/VmTO)2)
计算模拟气动升力的卸载质量Mx，其中Mm为模型质量，M为水面飞行器的质量，V为试验速度，VmTO为模型的离水速度，λ为模型的缩尺比；而模型的离水速度VTO为水面飞行器的离水速度，试验速度V为在0～VmTO之间选取若干速度点；
步骤3：根据步骤2得到的对应试验速度下的模拟气动升力卸载质量设置载荷模拟***，设置完毕后开始试验；试验过程中，拖车(14)在轨道上运动带动单船身模型(1)在水面上运动，当拖车(14)加速达到试验速度并稳定运行后，采集试验数据，采集完成后停止采集，拖车(14)刹车减速、停车，然后返回船坞进行下一试验速度点试验；
步骤4：当所有试验速度点试验完成后，分析采集的试验数据有效性，剔除无效数据，然后记录有效的试验参数，包括模型重量、重心位置、初始纵倾角、试验速度、水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值，并得到以试验速度为横坐标，分别以水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值为纵坐标的试验模型水动力性能曲线。
有益效果
本发明利用重心连接杆与模型连接，由于重心连接杆始终保持垂直且在垂向能***，其下端与试验模型铰接，因此能始终保证拖曳力在水平方向，不会对模型施加向上或者向下的力，从而避免了对试验模型的干扰。通过申请人的试验对比，本发明实用、可行、操作简单、试验结果可靠。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明的结构示意图；
图2：图1的左视图。
其中：1、单船身模型；2、重心连接杆；3、滑车；4、升沉杆；5、导航片；6、导航杆；7、测桥；8、阻力仪；9、细软钢索；10、铰接底座；11、位移计；12、钢索；13、倾角仪；14、拖车；15、滑车前限位器；16、滑车后限位器；17、气动升力卸载块；18、低头力矩模拟块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等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，而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。
本发明的目的是提出一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置及方法。
如图1所示，水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，包括单船身模型1、拖车14、测桥7、滑动装置、传感器***和载荷模拟***。
单船身模型1通过滑动装置安装在拖车14下方的测桥7上；所述滑动装置与单船身模型1重心处的铰接底座10铰接，单船身模型1能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动单船身模型1在一定范围内上下以及沿测桥7前后***。
如图1所示，所述滑动装置包括滑车3、升沉杆4和重心连接杆2；滑车3安装在测桥7上，并能沿测桥7前后滑动；升沉杆4穿过滑车3，并能在滑车3上做垂直方向***；重心连接杆2下端与安装在单船身模型1重心位置处的铰接底座10铰接，上端与升沉杆4固定连接。
单船身模型1前端带有导航片5，测桥7上安装有导航杆6，导航杆6与导航片5配合用于防止试验过程中单船身模型1产生偏航。
传感器***包括阻力仪8、位移计11和倾角仪13；阻力仪8安装在测桥7上，并通过细软钢索9与滑车3连接，用来采集单船身模型1在水中的阻力；位移计11安装在拖车14顶部，并通过钢索12与升沉杆4顶端连接，用来采集单船身模型1重心处的升沉幅值；倾角仪13安装在单船身模型1上，用来采集单船身模型1的纵向倾斜角度。
在测桥7上还安装有滑车前限位器15和滑车后限位器16，并位于滑车3的两端，滑车3的运动范围由固定在测桥7上的滑车前限位器15、滑车后限位器16和细软钢索9约束。
载荷模拟***安装在拖车14上，由于需要做不施加低头力矩模拟的试验和施加低头力矩模拟的试验，所以载荷模拟***分为模拟气动升力的载荷模拟***和模拟低头力矩的载荷模拟***。模拟气动升力的载荷模拟***由滑轮、钢索和质量块组成，钢索绕过安装在拖车14上的滑轮连接质量块和升沉杆4顶端。模拟低头力矩的载荷模拟***同样由滑轮、钢索和质量块组成，钢索绕过安装在拖车14上的滑轮连接质量块和单船身模型1重心后部位置。
上述试验装置能够保证单船身模型1在一定范围内沿纵向和横向***，并且能保证单船身模型1在纵向方向以铰接底座10为中心自由转动，且不发生偏航运动。
依据上述对试验装置的描述，本领域技术人员能够完成试验装置的安装和电气设备的连接，下面描述基于上述装置的水面飞行器单船身模型水池拖曳试验方法，包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试。
步骤2：在试验前，需要设置载荷模拟***的质量块。
根据公式
Mx＝Mm-λ3M(1-(V/VmTO)2)
计算模拟气动升力的卸载质量Mx，单位为kg，其中Mm为模型质量，单位为kg，M为水面飞行器的质量，单位为kg，V为试验速度，单位为m/s，VmTO为模型的离水速度，单位为m/s，λ为模型的缩尺比；而模型的离水速度VTO为水面飞行器的离水速度，试验速度V为在0～VmTO之间选取若干速度点，选取的试验速度点不小于8个，并且在25％～40％VmTO范围内选取的试验速度点要稍密。
步骤3：当开展不施加低头力矩模拟的试验时，根据步骤2得到的对应试验速度下的模拟气动升力卸载质量设置载荷模拟***，设置完毕后开始试验；试验过程中，拖车14在轨道上运动带动单船身模型1在水面上运动，单船身模型1的速度由水动力试验高速拖车14控制，当拖车14加速达到试验速度并稳定运行后，采集试验数据，要求拖车14稳定运动时间要达到5秒以上，采集完成后停止采集，拖车14刹车减速、停车，然后返回船坞进行下一试验速度点试验。
如果开展施加低头力矩模拟的试验，则除了要设置模拟气动升力卸载质量外，还需要设置低头力矩模拟质量，其余试验过程相同。
步骤4：当所有试验速度点试验完成后，分析采集的试验数据有效性，剔除无效数据，然后记录有效的试验参数，包括模型重量、重心位置、初始纵倾角、试验速度、水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值，并并根据模型运动状态判断运动是否稳定，对同一个试验状态，得到以试验速度为横坐标，分别以水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值为纵坐标的试验模型水动力性能曲线。
试验结束后，根据绘制的水阻力随试验速度曲线、纵倾角随试验速度曲线、升沉随试验速度曲线分析试验模型水阻力峰值的大小、阻力峰位置，并进行稳定性判断。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：包括单船身模型(1)、拖车(14)、测桥(7)、滑动装置、传感器***和载荷模拟***；
单船身模型(1)通过滑动装置安装在拖车(14)下方的测桥(7)上；所述滑动装置与单船身模型(1)重心处的铰接底座(10)铰接，单船身模型(1)能绕重心位置铰接点自由俯仰转动；所述滑动装置能够带动单船身模型(1)在一定范围内上下以及沿测桥(7)前后***；
单船身模型(1)前端带有导航片(5)，测桥(7)上安装有导航杆(6)，导航杆(6)与导航片(5)配合用于防止试验过程中单船身模型(1)产生偏航；
传感器***包括阻力仪(8)、位移计(11)和倾角仪(13)；阻力仪(8)安装在测桥(7)上，并通过细软钢索(9)与滑动装置中水平移动部件连接；位移计(11)安装在拖车(14)顶部，并通过钢索(12)与滑动装置中垂直移动部件连接；倾角仪(13)安装在单船身模型(1)上；
载荷模拟***安装在拖车(14)上，并与滑动装置中垂直移动部件连接，模拟气动升力。
2.根据权利要求1所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑车(3)、升沉杆(4)和重心连接杆(2)；滑车(3)安装在测桥(7)上，并能沿测桥(7)前后滑动；升沉杆(4)穿过滑车(3)，并能在滑车(3)上做垂直方向***；重心连接杆(2)下端与安装在单船身模型(1)重心位置处的铰接底座(10)铰接，上端与升沉杆(4)固定连接。
3.根据权利要求2所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：滑车前限位器(15)和滑车后限位器(16)分别安装在测桥(7)上，并位于滑车(3)的两端，滑车(3)的运动范围由固定在测桥(7)上的滑车前限位器(15)、滑车后限位器(16)和细软钢索(9)约束。
4.根据权利要求1所述水面飞行器单船身模型水池拖曳试验装置，其特征在于：载荷模拟***分为模拟气动升力的载荷模拟***和模拟低头力矩的载荷模拟***；模拟低头力矩的载荷模拟***安装在拖车(14)上，并与单船身模型(1)重心后部位置连接。
5.利用权利要求1所述试验装置进行水面飞行器单船身模型水池拖曳试验的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：安装试验装置并完成电气信号连接与测试；
步骤2：根据公式
Mx＝Mm-λ3M(1-(V/VmTO)2)
计算模拟气动升力的卸载质量Mx，其中Mm为模型质量，M为水面飞行器的质量，V为试验速度，VmTO为模型的离水速度，λ为模型的缩尺比；而模型的离水速度VTO为水面飞行器的离水速度，试验速度V为在0～VmTO之间选取若干速度点；
步骤3：根据步骤2得到的对应试验速度下的模拟气动升力卸载质量设置载荷模拟***，设置完毕后开始试验；试验过程中，拖车(14)在轨道上运动带动单船身模型(1)在水面上运动，当拖车(14)加速达到试验速度并稳定运行后，采集试验数据，采集完成后停止采集，拖车(14)刹车减速、停车，然后返回船坞进行下一试验速度点试验；
步骤4：当所有试验速度点试验完成后，分析采集的试验数据有效性，剔除无效数据，然后记录有效的试验参数，包括模型重量、重心位置、初始纵倾角、试验速度、水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值，并得到以试验速度为横坐标，分别以水阻力、重心升沉幅值和纵倾角幅值为纵坐标的试验模型水动力性能曲线。
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