一种两栖旋翼飞行器的跨介质拉扭测试平台及拉扭测试方法

：
1.本发明涉及测力技术领域、两栖旋翼无人机技术、是一种可用于两栖旋翼飞行器进行跨介质拉扭测量装置及拉扭测试方法。


背景技术：

2.两栖式跨介质飞行器将空中飞行器、水面航行器和水下潜航器三种无人工作系统集成一体，在单一平台上就可以同时具备空中飞行、水面航行和水下潜航三种功能。在两栖式跨介质旋翼飞行器的研究中，水和空气两种介质环境的差异给此类设计带来了巨大挑战。数百倍的密度差使得固定翼外形的两栖式跨介质飞行器难以应对复杂的升力、阻力、浮力。同时，飞行器跨介质瞬间，由兴波阻力和地面效应等因素带来的控制问题也一直没有得到彻底解决。


技术实现要素：

3.针对两栖无人机由于两种介质环境的差异给两栖无人机控制问题，本测试平台主要用于两栖无人机在临界水面出水时，测试不同介质对旋翼飞行器的桨叶在跨介质飞行，兴波阻力和地面效应对两栖旋翼飞行器的影响
4.本技术通过以下技术方案实现上述效果：
5.一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台，所述测试平台包括拉扭测试装置，测试箱，动态模拟装置和水位调节装置；其中，
6.所述测试箱包括框架和透明塑料壳组成的上部敞口的空间；
7.所述介质扰动装置安装在框体结构内部一侧；
8.所述水位调节装置在介质扰动装置一侧的透明壳下部位置；
9.所述拉扭测试装置包含拉扭加载结构，所述拉扭加载架构与扇叶相对应；
10.所述动态模拟装置包括电机和齿轮啮合传动装置。
11.进一步的，所述动态模拟装置安装在测试箱内部一侧,电机的输出端与齿轮啮合传动装置连接，齿轮啮合传动装置的输出端与扇叶装置相连；所述电机通过定位螺母安装在装置测试箱上，且电机的输出轴连接一根短轴；所述齿轮啮合传动装置包含短轴、短轴齿轮、长轴、长轴齿轮，且长轴与扇叶装置连接，短轴齿轮安装在短轴上，并由短轴带动转动；所述长轴齿轮与短轴齿轮啮合，长轴齿轮被短轴齿轮带动的同时，带动长轴转动；所述长轴带动扇叶装置转动。
12.进一步的，所述水位调节装置在动态模拟装置一侧的透明壳下部位置，所述水位调节装置外接水管，用于向透明壳内注水或放水。
13.进一步的，所述拉扭测试装置包含拉扭加载结构，拉扭加载架构与扇叶相对应；所述拉扭测试装置包括推力拉杆、y型平台支架、旋翼飞行器固定平台，所述旋翼飞行器固定平台下方连接应变片固定盘，所述应变片固定盘相向旋翼飞行器固定平台的一面安装有若干应变片，另一面连接y型平台支架的中心；
14.所述y型平台支架包含三个分支，每条分支上均设有推力拉杆，所述推力拉杆的端部设有推杆。
15.进一步的，所述应变片固定盘相向旋翼飞行器固定平台的一面安装有3个应变片，每个应变片与y型平台支架的分支相对应。
16.进一步的，所述推力拉杆有三个，以测试台中心垂直方向为轴周向间隔120
°
分布固定在测试箱底部。
17.本技术还提供上述两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台的拉扭测试方法,旋翼飞行器的拉力，扭力通过以下公式计算计算
18.f
拉
＝f
z1
+f
z2
+f
z3
19.m
横滚
＝f
z3
·r·
cos60
°‑fz1
·
r-f
z2
·
cos60
°
20.m
俯仰
＝f
z2
·r·
sin60
°
+f
z3
·r·
sin60
°‑fz1
·r21.t
扭
＝f
y1
·
r+f
y2
·
r+f
y3
·r22.式中数据为旋翼飞行器中轴线与第一应变片到旋翼飞行器固定平台中点线重合时的所得数据，其中f
z1
,f
z2
,f
z3
分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测垂向力,f
y1
,f
y2
,f
y3
为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测切向力，r为应变片到旋翼飞行器固定平台中点距离。
23.与现有技术相比，本发明有以下优点：
24.1、本发明所述的一种基于两栖旋翼飞行器的跨介质拉扭测试装置，测试平台可以实现在单种或多种介质中不同高度实验数据的采集，为旋翼飞行器的设计提供一个很好的参考。
25.2、本发明所述的一种基于两栖旋翼飞行器的跨介质拉扭测试装置，在保证实验数据准确性的前提下仅采用了三个推力拉杆，和三个应变片，通过对实验数据的解耦计算，极大的简化了测试平台的结构，同时还保证了测试平台的稳定性。
26.3、本发明所述的一种基于两栖旋翼飞行器的跨介质拉扭测试装置，通过三个推力拉杆进动不同的行程来调节旋翼飞行器的飞行迎角，便于采集飞行器在不同飞行角度和不同飞行介质时的拉力和扭矩。
27.4、本发明所述的两栖旋翼机测试平台可以实现水、空两种介质的自由切换，无需单独增加其他装备便可便捷的应用于水、空两种介质和水空临界状态时的应用。
附图说明
28.图1为本发明测试平台整体结构示意图；
29.图中，1.测试箱，2.透明壳，3.水位调节装置，4.拉扭测试装置5.介质扰动转装置，6.齿轮啮合传动装置；
30.图2为本发明拉扭测试装置；
31.图中，7.旋翼飞行器固定平台，8.y型支架，9.第一推力拉杆，10.第二推力拉杆，11.第三推力拉杆；
32.图3为本发明介质扰动装置；
33.图中，12.长轴，13.扇叶机构，14.长轴齿轮；
34.图4为本发明齿轮啮合传动装置；
35.图中，15.短轴齿轮，16.短轴，17.电机；
36.图5为本发明拉扭测试装置局部示意图；
37.图中，18.第一应变片，19.第二应变片，20.第三应变片；
38.图6为本发明测试箱与内部结构示意图。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明。
40.实施例1
41.如附图1所示，一种基于旋翼飞行器的跨介质动态拉扭测试装置，所述测试平台包括测试箱1，透明壳2，水位调节装置3，拉扭测试装置4，介质扰动装置5，齿轮啮合传动装置6；其中，拉扭测试装置包括旋翼飞行器固定平台7，y型支架8，第一推力拉杆9，第二推力拉杆10，第三推力拉杆11，第一应变片18，第二应变片19，第三应变片20，所述介质扰动装置包括长轴12，扇叶机构13，长轴齿轮14，所述齿轮啮合装置，包括短轴齿轮15，短轴16，电机17，进一步地，所述电机17通过定位螺母安装在装置测试箱1上，且电机的输出轴连接一根短轴16，电机驱动短轴运动。
42.进一步地，所述测试箱，主要是将旋翼飞行器限制在平台支架的测试箱内，增强了实验的安全性，具有结构简单可靠，组装变形便捷，便于观察的特点。其四周和底部由透明塑料壳封闭，便于更换实验介质，同时便于观察，实验的安全性也大大提高。
43.进一步地，所述动态模拟装置可以通过四片扇叶，带动实验装置中介质的流速发生变化，来模拟江河湖波中湍急的水流和大风等环境。
44.进一步地，所述短轴齿轮15安装在短轴16上，并由短轴16驱动短轴齿轮15运动；所述短轴齿轮15与长轴齿轮14啮合，由短轴齿轮15驱动长轴齿轮14运动，同时长轴齿轮14与长轴12连接，长轴12连接介质扰动装置5，由长轴齿轮14带动长轴12，并驱动介质扰动装置运动，从而改变介质流动状态。进一步地，所述第一至第三推力拉杆9～11，以等腰三角形固定在测试箱底部，其推杆与y型支架8连接，y型平台随推杆上下运动；其作用，一是为了支撑旋翼7飞行器固定平台，二是为了调节旋翼飞行器在水中的工作高度，当三个推力拉杆升起的高度不同时，旋翼飞行器的飞行角度就会发生改变。当推力拉杆升高到一定高度到达临界水面，便可以通过观察旋翼飞行器的拉力，扭转力矩等，来分析旋翼飞行器不同飞行角度，在水中的不同高度，还有在跨介质飞行时兴波阻力和地面效应对旋翼飞行器的影响。进一步地，所述y型支架8，主要用于对支撑旋翼飞行器固定平台7，保证该测试平台的稳定性，从而保证此此测试平台取得数据的准确性。进一步地，所述旋翼飞行器固定平台7，是由两个圆盘结构组成，底部与y型支架8连接，在两个圆形结构中间，存在第一至第三三个应变片18～20，测量旋翼飞行器出入两种介质状态下的拉力和扭矩，从而分析兴波阻力和地面效应对两栖旋翼飞行器的影响，其上部圆盘与旋翼飞行器固定。进一步地，所述介质扰动装置5可以通过四片扇叶机构13，带动实验装置中介质的流速发生变化，来模拟江河湖波中湍急的水流和大风等环境。
45.所述旋翼飞行器的跨介质拉扭测试装置，在实验装置中注入2/3的水。将旋翼飞行器固定于旋翼飞行器固定平台，旋翼飞行器中轴线与第一应变片到旋翼飞行器固定平台中点线重合。当测试旋翼飞行器在不同水流速度时平飞状态时的各项数据时，三个推力拉杆
进动相同行程，通过所述动态模拟装置，加速水的流动速度，便可通过拉扭测试装置三个应变片的变化测得旋翼飞行器在不同水流速度下平飞时的拉力和扭转力矩。当三个推力拉杆使旋翼飞行器处于临界水面时，通过动态模拟装置模拟海浪，便可通过观察应变片数据的变化，得到旋翼飞行器在进行跨介质平飞时海浪对飞行状态拉力和扭矩的影响，对两栖旋翼飞行器进行跨介质飞行时飞行状态的进一步分析。
46.所述于旋翼飞行器的跨介质动态拉扭测试装置，当测试旋翼飞行器以有一定角度的姿态飞行时。在注有2/3的装置中，驱动三个推力拉杆进动不同的行程，使拉扭测试装置形成一定的角度。同时驱动动态模拟装置，改变实验环境。
47.当测试旋翼飞行器在一定高度的俯仰飞行时，只需三个推力拉杆同时进动一定行程，当到达一定高度后，调整推力拉杆7，使拉扭测试装置形成一定的俯仰角度，同时驱动动态模拟装置，模拟洋流和气流运动便可通过拉扭测试装置三个应变片的变化测得旋翼飞行器在洋流影响下的俯仰飞行时的拉力和扭转力矩。当三个推力拉杆使旋翼飞行器处于临界水面时，便可通过观察应变片数据的变化，得到旋翼飞行器在洋流和气流影响下进行跨介质俯仰飞行状态时的实验数据，便对两栖旋翼飞行器进行跨介质俯仰飞行时的飞行状态进行分析。
48.当测试旋翼飞行器在一定高度的翻滚飞行时，只需三个推力拉杆同时进动一定行程，当到达一定高度后，调整第一或第二推力拉杆8或9，使拉扭测试装置形成一定的翻滚角度，同时驱动动态模拟装置，便可通过拉扭测试装置三个应变片的变化测得旋翼飞行器在不同洋流和气流影响下翻滚飞行时的拉力和扭转力矩。当三个推力拉杆使旋翼飞行器处于临界水面时，便可通过观察应变片数据的变化，得到旋翼飞行器在进行跨介翻滚飞行状态时的实验数据，便可对两栖旋翼飞行器进行跨介质翻滚飞行时的飞行状态进行分析。
49.实施例2
50.本技术还提供上述两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台的拉扭测试方法,旋翼飞行器的拉力，扭力通过以下公式计算计算
51.f
拉
＝f
z1
+f
z2
+f
z3
52.m
横滚
＝f
z3
·r·
cos60
°‑fz1
·
r-f
z2
·
cos60
°
53.m
俯仰
＝f
z2
·r·
sin60
°
+f
z3
·r·
sin60
°‑fz1
·r54.t
扭
＝f
y1
·
r+f
y2
·
r+f
y3
·r55.式中数据为旋翼飞行器中轴线与第一应变片到旋翼飞行器固定平台中点线重合时的所得数据，其中f
z1
,f
z2
,f
z3
分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测垂向力,f
y1
,f
y2
,f
y3
为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测切向力，r为应变片到旋翼飞行器固定平台中点距离。
56.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，还可以做出若干改动和调整。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台，其特征在于，所述测试平台包括拉扭测试装置，测试箱，动态模拟装置和水位调节装置；其中，所述测试箱包括框架和透明塑料壳组成的上部敞口的空间；所述介质扰动装置安装在框体结构内部一侧，所述水位调节装置在介质扰动装置一侧的透明壳下部位置；所述拉扭测试装置包含拉扭加载结构，所述拉扭加载架构与扇叶相对应；所述动态模拟装置包括电机和齿轮啮合传动装置。2.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台，其特征在于：所述动态模拟装置安装在测试箱内部一侧,电机的输出端与齿轮啮合传动装置连接，齿轮啮合传动装置的输出端与扇叶装置相连；所述电机通过定位螺母安装在装置测试箱上，且电机的输出轴连接一根短轴；所述齿轮啮合传动装置包含短轴、短轴齿轮、长轴、长轴齿轮，且长轴与扇叶装置连接，短轴齿轮安装在短轴上，并由短轴带动转动；所述长轴齿轮与短轴齿轮啮合，长轴齿轮被短轴齿轮带动的同时，带动长轴转动；所述长轴带动扇叶装置转动。3.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台，其特征在于；所述水位调节装置在动态模拟装置一侧的透明壳下部位置，所述水位调节装置外接水管，用于向透明壳内注水或放水。4.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台,其特征在于：所述拉扭测试装置包含拉扭加载结构，拉扭加载架构与扇叶相对应；所述拉扭测试装置包括推力拉杆、y型平台支架、旋翼飞行器固定平台，所述旋翼飞行器固定平台下方连接应变片固定盘，所述应变片固定盘相向旋翼飞行器固定平台的一面安装有若干应变片，另一面连接y型平台支架的中心；所述y型平台支架包含三个分支，每条分支上均设有推力拉杆，所述推力拉杆的端部设有推杆。5.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台,其特征在于：所述应变片固定盘相向旋翼飞行器固定平台的一面安装有3个应变片，每个应变片与y型平台支架的分支相对应。6.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台,其特征在于：所述推力拉杆有三个，以测试台中心垂直方向为轴周向间隔120
°
分布固定在测试箱底部。7.根据权利要求1所述的一种两栖旋翼飞行器跨介质动态拉扭测试平台的拉扭测试方法,其特征在于：旋翼飞行器的拉力，扭力通过以下公式计算计算f
拉
＝f
z1
+f
z2
+f
z3
m
横滚
＝f
z3
·
r
·
cos60
°‑
f
z1
·
r-f
z2
·
cos60
°
m
俯仰
＝f
z2
·
r
·
sin60
°
+f
z3
·
r
·
sin60
°‑
f
z1
·
rt
扭
＝f
y1
·
r+f
y2
·
r+f
y3
·
r式中数据为旋翼飞行器中轴线与第一应变片到旋翼飞行器固定平台中点线重合时的所得数据，其中f
z1
,f
z2
,f
z3
分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测垂向力,f
y1
,f
y2
,f
y3
为第一应变片、第二应变片、第三应变片所测切向力，r为应变片到旋翼飞行器固定平台中点距离。

技术总结
本发明公开一种两栖旋翼飞行器的跨介质拉扭测试平台及拉扭测试方法，测试平台包括电机、齿轮啮合传动装置、测试平台支架，测试箱，动态模拟装置和水位调节装置。测试平台支架包括三个推力拉杆和一个Y型支架，推力拉杆则起到控制该测试平台高度和控制旋翼飞行器飞行角度的作用。旋翼飞行器固定平台则是由三个应变片组成的平台结构，通过该结构可以实现对旋翼飞行器拉力和扭转力矩的测量。测试箱为封闭的透明空间，通过改变测试平台的介质，获得旋翼飞行器在不同介质飞行时的拉扭数据，增强了实验的安全性。具有结构简单可靠，组装便携，便于观察的特点。动态模拟装置可以模拟现实湖泊河流和大气的流动情况，拓展了实验维度，提高了实验的仿真度。了实验的仿真度。了实验的仿真度。


技术研发人员：詹祺 高世才 张国政 王潇
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/7/19