一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置的制作方法

1.本发明涉及飞行器气动特性测试技术领域，特别是涉及一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置。


背景技术：

2.根据试验发现，旋翼类飞行器在水面起降时，会受到一种特殊的地面效应作用（下文统称近水面效应）。不同于不能产生形变的地面，旋翼在近水面高速旋转时，在其产生的持续下洗气流与强烈桨间涡的作用下，水面发生剧烈形变并维持被推挤的状态、产生周期性向四周扩散的波浪；大部分水以聚集泼溅状到达较低高度，少量水以点散状飞溅到较大高度。大量液滴从水面卷起、破碎并随着旋翼上方的入流气流再度流经桨盘并撞击高速旋翼，形成一个大尺度的空气-水-液滴交混流场（下文统称水气交混流场），进而引发近水面介质属性强非线性变化导致的升力损失问题。通过对试验数据分析，可知在水气交混流场中，在相同功率下，旋翼尾迹诱导变形的水面与不同粒径的液滴群会使得旋翼的升力降低、阻力明显增大，对飞行器水面起飞时的姿态控制提出了严峻的考验。
3.现有发明专利zl202210913450.4《一种水气交混流场与飞行器耦合作用试验装置》可以对飞行器旋翼在水气交混流场进行测试，但是该试验装置只能用于对单个电机、单个旋翼的试验，而飞行器一般包括多个旋翼，而且水气交混流场尺度较大，液滴飞溅范围约为10倍旋翼直径，导致多个旋翼各自生成的水气交混流场必然会相互影响、相互作用，使得电机在更加复杂、恶劣的环境中工作，所以在评估整个飞行器的近水面效应时，不能使用单个电机、旋翼在水气交混流场中的升力求和得到整机在水气交混流场中的升力，而需单独将整个飞行器置于近水面处进行测试，因此在研究旋翼类飞行器整机的近水面效应时，不能延用单旋翼近水面效应的测试装置。同时如果将该试验装置用于研究整个飞行器的近水面效应时，因为该试验装置采用了蜗杆升降机底部连接电机、旋翼的悬臂梁结构设计，该结构在连接四旋翼机架时，四个旋翼相距较远导致作用力臂较长，测试过程中会将悬臂梁底部的微小形变放大，最终表现为机架的剧烈震颤。
4.综上所述，目前旋翼类飞行器整机的近水面效应的测试装置尚属空白。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置，填补了当前飞行器整机近水面效应测试装置的空白。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其包括两个间隔设置的升降支架，两个升降支架之间水平设置有主梁，主梁中部固定连接有连接件，连接件下方固定连接有支臂和机架，支臂与机架之间设置有拉扭传感器；机架为十字交叉结构，支臂的底部与机架的交叉中心固定连接，机架的十字交叉端上均固定连接有一个直流无刷电机，每个直流无刷电机的输出端上均固定设置有一个旋
翼。
7.进一步地，每个升降支架均呈“l”字型结构，每个升降支架的底部均与地面固定连接，每个升降支架的内壁上延其自身高度方向均设置有一条斜行型齿滑轨；主梁的两端均固定设置有一个滑块，两个滑块分别与两条斜行型齿滑轨滑动配合；每个滑块上均设置有驱动装置，驱动装置包括设置于滑块外侧壁上的驱动电机，驱动电机的输出轴上设置有与斜行型齿滑轨的齿条配合的齿轮，齿轮位于滑块内部。
8.进一步地，主梁为方管，主梁的中部设置有两排固定孔，两排固定孔水平设置，两排固定孔之间的间距为5cm；连接件的侧视投影为u字形结构；连接件卡合在主梁上，连接件的两侧壁上均设置有两排斜孔，两排斜孔用于与两排固定孔配合，两个相邻斜孔之间的竖直间距为1cm。
9.进一步地，机架的十字交叉端上均设置有多个用于安装直流无刷电机的安装孔。
10.进一步地，连接件下方设置有十字形钢板，支臂为方管，支臂的顶部与十字形钢板中部固定连接，支臂的底部固定连接有拉扭传感器，拉扭传感器的底部设置有机架。
11.进一步地，十字形钢板的四周交叉端与支臂的四周侧壁之间设置有加强肋。
12.进一步地，在进行旋翼类飞行器无地效作用的试验时，连接件倒置安装在主梁上，支臂和机架位于连接件上方，机架上的多个旋翼底部与地面或水面之间的距离均大于旋翼直径的2倍。
13.本方面中旋翼类飞行器近水面效应试验装置的基本原理为：在开展旋翼类飞行器近水面效应试验时，由于旋翼尾迹诱导的水气交混流场空间尺度较大，因此应将试验装置具备开阔水域条件的平地上；首先开展无地效作用的试验，将连接件倒置在主梁上方，并依次连接支臂、机架等部件，将直流无刷电机和旋翼置于机架上方，通过驱动电机将滑块移至升降支架最顶端，进行旋翼类飞行器无地效作用的试验。
14.无地面效应试验完成后开展地面效应试验，将连接件置于主梁下方，并依次连接支臂、机架等部件将电机旋翼置于机架上方，通过驱动电机将滑块移至升降支架较低处使旋翼底部与地面距离约0.15倍旋翼半径，进行旋翼类飞行器地面效应的试验，每组试验完成后卸下连接件，将其向上或向下挪动一个孔位，开始下一组试验。
15.地面效应试验完成后开展水面效应试验，连接件、支臂、机架等部件延用地面效应测试时的装配关系，通过驱动电机将滑块移至升降支架较低处使旋翼底部与水面距离约0.15倍旋翼半径，进行旋翼类近水面效应的试验，每组试验完成后卸下连接件，将其向上或向下挪动一个孔位，开始下一组试验。
16.测试时，通过遥控器对电调输入不同的油门值，控制直流无刷电机转速，分别记录当前旋翼到水面距离、旋翼产生拉力、直流无刷电机输出扭矩及直流无刷电机转速值。
17.本发明的有益效果为：1、防振性能优良：机架通过支臂和连接件与主梁固定连接，替代现有的升降机中的丝杆，同时，支臂采用方管，并且支臂与十字形钢板之间还设置有多块加强肋，形成三角固定支撑，使整个旋翼类飞行器近水面效应试验装置的结构具有更强的抗弯抗扭刚度，进而有效降低悬臂梁挠度较大导致的形变；对机架上的多个直流无刷电机高速转动过程中潜在的剧烈震动具有较强的抑制作用。
18.2、结构简易：发明专利zl202210913450.4《一种水气交混流场与飞行器耦合作用试验装置》中，为了增加数据的可靠性，使用一套测试装置完成地面与水面效应及无地效试验，通过两侧支架上布置大量的孔位来实现主梁及旋翼在垂直方向上大范围移动，使得旋翼在靠近地面/水面时开展地效等试验，在远离地面时开展无地效试验。本发明采用强度、刚度足够的升降支架、斜行型齿滑轨、滑块配合，使得主梁及被测直流无刷电机和旋翼在垂直方向上连续、大范围运动，齿轮与斜行型齿滑轨的齿条配合，可防止回转；通过倒置连接件、支臂、机架等部件即可使旋翼远离地面以开展无地效试验。本发明在保留了变距操作简单快速的基础上，还规避了升降机调距范围受限于丝杆长度的缺点，又大大减少了两侧支架过多孔位产生的加工量，进一步降低了旋翼类飞行器近水面效应试验装置的制造成本。
19.3、通用性、拓展性强：相较于原试验装置只能开展单电机、旋翼的水气交混流场试验，本发明所设计机架为十字交叉结构，机架的十字交叉端上根据实际使用直流无刷电机的尺寸开有多个安装孔，可使直流无刷电机和旋翼安装在机架的不同径向位置处，以此控制各个直流无刷电机和旋翼的相距间隔，从而形成一个简化的四旋翼或复合翼旋翼的布局，进而复现不同大小旋翼间距的飞行器在水气交混流场中各个旋翼之间的相互影响，实现“一台测多机”的功能，具备良好的通用性。
20.4、测试产生系统误差小：根据试验发现，旋翼距离水面距离越远，水气交混流场带来的气动性能影响越小。因此在试验过程中需要不断调节旋翼距离水面的高度，每次至少调节1cm。由于驱动电机驱动滑块在斜行型齿滑轨上滑动调节位置，因此无法实现小范围精准调节距离，在实际不可避免地出现超调现象，需要多次调节才能使距离每次精确1cm；同时当旋翼非常逼近水面时，在测量旋翼到水面距离时较难测准，而多组测量不准会使得每组数据距离间隔不相等，导致得到的升阻力曲线不光滑、数据失真。本发明中，通过在连接件上预置水平位置不同、垂直高度相差1cm的两排斜孔，通过在不同高度的孔位处使连接件与主梁配合，让连接件、支臂、机架的垂直高度每次精准地调节1cm，有效减小测试过程中调距机构超调导致的操作繁杂、空间狭小导致的测距不准带来的测量系统误差。
附图说明
21.图1为一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置的三维结构示意图。
22.图2为连接件、十字形钢板、支臂和机架的连接结构示意图。
23.图3为机架的放大结构示意图。
24.图4为斜行型齿滑轨与滑块的连接结构示意图。
25.其中，1、升降支架；2、主梁；3、连接件；4、支臂；5、机架；6、拉扭传感器；7、直流无刷电机；8、旋翼；9、斜行型齿滑轨；10、滑块；11、驱动电机；12、固定孔；13、斜孔；14、安装孔；15、十字形钢板；16、加强肋。
具体实施方式
26.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
27.如图1所示，本发明提供了一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其包括两个间隔设置的升降支架1，两个升降支架1之间水平设置有主梁2，主梁2中部固定连接有连接件3，连接件3下方固定连接有支臂4和机架5，支臂4与机架5之间设置有拉扭传感器6；如图3所示，机架5为十字交叉结构，支臂4的底部与机架5的交叉中心固定连接，机架5的十字交叉端上均固定连接有一个直流无刷电机7，每个直流无刷电机7的输出端上均固定设置有一个旋翼8。
28.优选但不局限地，机架5的十字交叉端上均设置有多个用于安装直流无刷电机7的安装孔14。本发明所设计机架5为十字交叉结构，机架5的十字交叉端上根据实际使用直流无刷电机7的尺寸开有多个安装孔14，可使直流无刷电机7和旋翼8安装在机架5的不同径向位置处，以此控制各个直流无刷电机7和旋翼8的相距间隔，从而形成一个简化的四旋翼8或复合翼旋翼8的布局，进而复现不同大小旋翼8间距的飞行器在水气交混流场中各个旋翼8之间的相互影响，实现“一台测多机”的功能，具备良好的通用性。
29.如图4所示，每个升降支架1均呈“l”字型结构，每个升降支架1的底部均与地面固定连接，每个升降支架1的内壁上延其自身高度方向均设置有一条斜行型齿滑轨9；主梁2的两端均固定设置有一个滑块10，两个滑块10分别与两条斜行型齿滑轨9滑动配合；每个滑块10上均设置有驱动装置，驱动装置包括设置于滑块10外侧壁上的驱动电机11，驱动电机11的输出轴上设置有与斜行型齿滑轨9的齿条配合的齿轮，齿轮位于滑块10内部。
30.通过驱动电机11带动齿轮与斜行型齿滑轨9的齿条配合，实现滑块10在斜行型齿滑轨9上进行竖直滑动，进而实现主梁2以及与主梁2连接的机架5在高度位置的调整，以满足直流无刷电机7和旋翼8在数字方向上大范围移动，便于旋翼8开展近水面效应测试。
31.具体地，主梁2为方管，主梁2的中部设置有两排固定孔12，两排固定孔12水平设置，两排固定孔12之间的间距为5cm。
32.连接件3的侧视投影为u字形结构；连接件3卡合在主梁2上，连接件3的两侧壁上均设置有两排斜孔13，两排斜孔13用于与两排固定孔12配合，两个相邻斜孔13之间的竖直间距为1cm。
33.在旋翼8开展近水面效应测试时，旋翼8距离水面距离越远，水气交混流场带来的气动性能影响越小。因此在试验过程中需要不断调节旋翼8距离水面的高度，每次至少调节1cm。由于驱动电机11驱动滑块10在斜行型齿滑轨9上滑动调节位置，因此无法实现小范围精准调节距离，在实际不可避免地出现超调现象，需要多次调节才能使距离每次精确1cm；同时当旋翼8非常逼近水面时，在测量旋翼8到水面距离时较难测准，而多组测量不准会使得每组数据距离间隔不相等，导致得到的升阻力曲线不光滑、数据失真。本发明中，通过在连接件3上预置水平位置不同、垂直高度相差1cm的两排斜孔13，通过在不同高度的孔位处使连接件3与主梁2配合，让连接件3、支臂4、机架5的垂直高度每次精准地调节1cm，有效减小测试过程中调距机构超调导致的操作繁杂、空间狭小导致的测距不准带来的测量系统误差。
34.如图2所示，作为机架5与连接件3的具体连接方式，连接件3下方设置有十字形钢板15，支臂4为方管，支臂4的顶部与十字形钢板15中部固定连接，支臂4的底部固定连接有
拉扭传感器6，拉扭传感器6的底部设置有机架5，十字形钢板15的四周交叉端与支臂4的四周侧壁之间设置有加强肋16。机架5通过支臂4和连接件3与主梁2固定连接，替代现有的升降机中的丝杆，同时，支臂4采用方管，并且支臂4与十字形钢板15之间还设置有多块加强肋16，形成三角固定支撑，使整个旋翼类飞行器近水面效应试验装置的结构具有更强的抗弯抗扭刚度，进而有效降低悬臂梁挠度较大导致的形变；对机架5上的多个直流无刷电机7高速转动过程中潜在的剧烈震动具有较强的抑制作用。
35.旋翼类飞行器近水面效应试验装置在开展旋翼类飞行器近水面效应试验时，由于旋翼8尾迹诱导的水气交混流场空间尺度较大，因此应将试验装置具备开阔水域条件的平地上；首先开展无地效作用的试验，将连接件3倒置在主梁2上方，并依次连接支臂4、机架5等部件，将直流无刷电机7和旋翼8置于机架5上方，通过驱动电机11将滑块10移至升降支架1最顶端，进行旋翼类飞行器无地效作用的试验时，旋翼8底部与地面或水面之间的距离大于旋翼8直径的2倍。
36.无地面效应试验完成后开展地面效应试验，将连接件3置于主梁2下方，并依次连接支臂4、机架5等部件将电机旋翼8置于机架5上方，通过驱动电机11将滑块10移至升降支架1较低处使旋翼8底部与地面距离约0.15倍旋翼8半径，进行旋翼类飞行器地面效应的试验，每组试验完成后卸下连接件3，将其向上或向下挪动一个孔位，开始下一组试验。
37.地面效应试验完成后开展水面效应试验，连接件3、支臂4、机架5等部件延用地面效应测试时的装配关系，通过驱动电机11将滑块10移至升降支架1较低处使旋翼8底部与水面距离约0.15倍旋翼8半径，进行旋翼类近水面效应的试验，每组试验完成后卸下连接件3，将其向上或向下挪动一个孔位，开始下一组试验。
38.测试时，通过遥控器对电调输入不同的油门值，控制直流无刷电机7转速，分别记录当前旋翼8到水面距离、旋翼8产生拉力、直流无刷电机7输出扭矩及直流无刷电机7转速值。

技术特征：
1.一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，包括两个间隔设置的升降支架，两个所述升降支架之间水平设置有主梁，所述主梁中部固定连接有连接件，所述连接件下方固定连接有支臂和机架，所述支臂与所述机架之间设置有拉扭传感器；机架为十字交叉结构，支臂的底部与机架的交叉中心固定连接，机架的十字交叉端上均固定连接有一个直流无刷电机，每个所述直流无刷电机的输出端上均固定设置有一个旋翼。2.根据权利要求1所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，每个所述升降支架均呈“l”字型结构，每个升降支架的底部均与地面固定连接，每个升降支架的内壁上延其自身高度方向均设置有一条斜行型齿滑轨；所述主梁的两端均固定设置有一个滑块，两个所述滑块分别与两条所述斜行型齿滑轨滑动配合；每个滑块上均设置有驱动装置，驱动装置包括设置于滑块外侧壁上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴上设置有与斜行型齿滑轨的齿条配合的齿轮，所述齿轮位于滑块内部。3.根据权利要求2所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，所述主梁为方管，主梁的中部设置有两排固定孔，两排所述固定孔水平设置，两排固定孔之间的间距为5cm；所述连接件的侧视投影为u字形结构；连接件卡合在主梁上，连接件的两侧壁上均设置有两排斜孔，两排斜孔用于与两排固定孔配合，两个相邻斜孔之间的竖直间距为1cm。4.根据权利要求3所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，所述机架的十字交叉端上均设置有多个用于安装所述直流无刷电机的安装孔。5.根据权利要求4所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，所述连接件下方设置有十字形钢板，所述支臂为方管，支臂的顶部与所述十字形钢板中部固定连接，支臂的底部固定连接有所述拉扭传感器，拉扭传感器的底部设置有所述机架。6.根据权利要求5所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，所述十字形钢板的四周交叉端与所述支臂的四周侧壁之间设置有加强肋。7.根据权利要求1所述的旋翼类飞行器近水面效应试验装置，其特征在于，在进行旋翼类飞行器无地效作用的试验时，所述连接件倒置安装在所述主梁上，所述支臂和机架位于连接件上方，机架上的多个所述旋翼底部与地面或水面之间的距离均大于旋翼直径的2倍。

技术总结
本发明公开了一种旋翼类飞行器近水面效应试验装置，属于飞行器气动特性测试技术领域，试验装置包括两个升降支架，两个升降支架之间设有主梁，主梁上设有连接件，连接件下方固定有支臂、拉扭传感器和机架；支臂的底部与机架的交叉中心固定连接，机架的十字交叉端上均固定连接有直流无刷电机和旋翼；机架根据实际使用直流无刷电机的尺寸开有多个安装孔，可使直流无刷电机和旋翼安装在机架的不同径向位置处，以此控制各个直流无刷电机和旋翼的相距间隔，从而形成一个简化的四旋翼或复合翼旋翼的布局，进而复现不同大小旋翼间距的飞行器在水气交混流场中各个旋翼之间的相互影响，实现“一台测多机”的功能，具备良好的通用性。具备良好的通用性。具备良好的通用性。


技术研发人员：白兴之 禹代川 邢贝贝 林泽铖 鞠金龙 卢星宇 逯明清 杨彩桃 高福奎
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/4/18