導讀

風洞測試中對機翼翼型的二維測量，是眾多空氣動力學應用中模型預測的關(guān)鍵技術(shù)。這類測試中，一般需要測量翼型在不同的受風角度下的受力和俯仰力矩，受風角度（攻角）的細微變化能夠造成力和力矩的大幅變動，因此，對攻角的精確測量是這類測試中的主要技術(shù)需求。本研究在風洞中采用了多個激光位移傳感器，通過測量風洞壁與機翼之間的距離來精確計算模型的位置。測量結(jié)果表明了該技術(shù)能夠測得以往無法得到的模型變形和偏轉(zhuǎn)，從而提供更加精確的攻角測量。

背景

風洞測試結(jié)果通常用來驗證數(shù)值模型，測得的力、扭矩二維系數(shù)能夠進一步推導得到發(fā)動機或者機翼的力和力矩?？諝鈩恿W中常提到的力和力矩對模型的幾何形狀和攻角參數(shù)非常敏感，1°的攻角的變化會造成升力系數(shù)11%的變化，這也就意味著在機翼風洞模型的測量中，攻角精確測量的重要性。

典型的測量方案采用的是機翼舵轉(zhuǎn)臺貼裝磁性編碼器，磁性編碼器的分辨力較低，例如本研究中模型達到6000N的升力和500Nm的俯仰力矩后形成的攻角偏置量，無法被磁性編碼器分辨。并且由于扭曲和彎曲造成的翼展方向的非線性偏轉(zhuǎn)，也會對測量造成影響，無法判斷具體的空氣動力學狀態(tài)。

在風洞模型中引入加速度傳感器能夠解決這個問題，加速度傳感器輸出量的積分反映了模型的位移量和方向。引入多個加速度傳感器并且持續(xù)記錄，則可以跟蹤模型中多個點的位移量和方向。除此之外，還有相機跟蹤標志點后處理得到模型偏轉(zhuǎn)變形的測量技術(shù)，以及激光干涉儀跟蹤模型位置的方案，但是這兩個技術(shù)都存在復雜、成本較高的弊端。

創(chuàng)新

本文工作采用激光三角法位移傳感器實現(xiàn)模型和風洞墻壁之間距離的測量，這個方案采用商用產(chǎn)品，具有高精度的絕對距離測量能力，并且不會和其他風洞測量設備產(chǎn)生干涉。

技術(shù)

本文中的風洞測試段是7.3m長，橫截面為1.85m*1.85m的長方體區(qū)域，風洞墻壁由實心鋁板組成，機翼采用0.8m長的DU96-W-180機翼，機翼的舵轉(zhuǎn)臺角度采用Renishaw LM10直線磁性編碼器進行測量。典型的試驗方案是，轉(zhuǎn)動舵轉(zhuǎn)臺到特定角度后進行鎖定，開啟風洞3-4秒，然后安裝與90個點位的氣壓傳感器進行氣壓測量，氣壓數(shù)據(jù)綜合可以得到機翼的升力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。四路激光位移傳感器安裝在風洞的獨立位置處，如圖1所示。

圖1. 風洞模型中機翼和激光位移傳感器的安裝圖

使用過程中，激光位移傳感器的溫漂誤差通過線性回歸來進行補償，見圖2所示。同時，在關(guān)閉風洞進風情況下，機翼在攻角±16°之間步進旋轉(zhuǎn)，通過記錄角度數(shù)據(jù)和四路激光器的數(shù)據(jù)完成校準，如圖3，思路激光測量得到的位移量和轉(zhuǎn)動的角度之間存在映射關(guān)系，圖的下方同樣給出了映射的不確定度。

圖2. 激光位移傳感器的溫漂曲線

圖3. 激光位移傳感器和轉(zhuǎn)角之間的校準曲線

接下來便是開啟風洞進行實際的實驗測量環(huán)節(jié)，激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)和舵轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角之間的不一致代表了機翼產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和變形，具體分析內(nèi)容請見原文?？偨Y(jié)來看，這種基于激光位移傳感器的測量方案能夠測得機翼模型<0.15°的偏轉(zhuǎn)量，以及<2mm的變形量，相較于其他的測量方案具有較高的實用性和可操作性。

關(guān)鍵詞：激光位移傳感器；風洞測試；CMOS線陣相機