田洪清，紀(jì)斌義，秦 成

（92228部隊(duì)， 北京 100072）

0 引言

對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)以及與其相連的翼展的控制是對(duì)整個(gè)潛航器或飛行器設(shè)計(jì)的重要組成部分，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先對(duì)控制翼外形尺寸，舵機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以及電機(jī)的選型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和校核，在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)。順利情況下，往往需要3～5個(gè)輪次的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，才能得出優(yōu)化結(jié)果，每個(gè)輪次設(shè)計(jì)、加工和測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)，測(cè)試成本高，嚴(yán)重影響了飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。為降低飛行器設(shè)計(jì)周期，提高工作效率，降低測(cè)試成本，研制了能夠模擬風(fēng)洞環(huán)境的舵機(jī)測(cè)試裝置。

1 舵機(jī)測(cè)試的難點(diǎn)分析

1.1 位置鎖定分析

由于潛航器和飛行器外形和尺寸形狀各異 （一般大于20cm），重量較大（大于20kg），由于動(dòng)力外形上的考慮，其外表一般呈圓柱形，往往不容易固定，若采用臨時(shí)的固定方法，則不能保證其固定的牢靠性，測(cè)試過程中容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)或共振，影響測(cè)試精度，同時(shí)也難以保障其固定在完全水平的狀態(tài)上，這也會(huì)影響測(cè)試的對(duì)稱性。而由于其內(nèi)部不是均質(zhì)結(jié)構(gòu)，重心一般情況下不在幾何位置的中心，測(cè)試時(shí)不易保持穩(wěn)定，一旦發(fā)生振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致其位置發(fā)生變化，因而經(jīng)常影響測(cè)試結(jié)果，造成測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差，從而影響潛航器或飛行器的舵機(jī)設(shè)計(jì)精度。

1.2 工作環(huán)境模擬分析

舵機(jī)工作環(huán)境模擬困難，測(cè)試成本高。潛航器和飛行器正常的工作狀態(tài)在水中或空中進(jìn)行，速度非常高（一般2倍于音速），其受到的阻力主要來自于水動(dòng)力或空氣阻力。潛航器或飛行器主要靠舵機(jī)來控制翼展的角度，從而達(dá)到改變飛行軌跡的目的，為測(cè)試舵機(jī)的控制效果，需要對(duì)翼展在受到的水動(dòng)力或空氣阻力的情況下，對(duì)舵機(jī)的控制效果進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試手段有三種：一是讓潛航器或飛行器在水中或空中行進(jìn)時(shí)，測(cè)試其舵機(jī)性能；二是在風(fēng)洞中模擬其行進(jìn)阻力，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試；三是通過地面模擬設(shè)備來進(jìn)行測(cè)試。第一種方法能夠完全再現(xiàn)其行進(jìn)狀態(tài)，但成本高，而且潛航器或飛行器的動(dòng)作受到一定限制；第二種方法采用氣動(dòng)模擬試驗(yàn)方法，成本相對(duì)第一種方法低一些，測(cè)試范圍和測(cè)試時(shí)間可以自由掌控，因考慮測(cè)試設(shè)備的成本問題，其測(cè)試時(shí)間和測(cè)試過程也受到限制。而第三種地面測(cè)試方法，因測(cè)試設(shè)備可重復(fù)使用，成本相當(dāng)?shù)?，而且根?jù)需要可以進(jìn)行一些極限工況的測(cè)試工作。

1.3 多工況模擬需求分析

在地面條件下，模擬測(cè)試不同的工況面臨很多的困難。潛航器在水中行進(jìn)，飛行器在空中飛行時(shí)，由于翼展的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不同，在舵片兩側(cè)將產(chǎn)生不同的水壓或風(fēng)壓，在地面模擬測(cè)試的試驗(yàn)過程中，由于在地面設(shè)備上，需要根據(jù)不同的轉(zhuǎn)角變化情況，使得外界環(huán)境對(duì)翼展產(chǎn)生不同的作用力，從而使得舵機(jī)能夠克服因轉(zhuǎn)角的變化而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)作用力，完成對(duì)飛行器轉(zhuǎn)變過程中的受力過程進(jìn)行模擬。因地面設(shè)備在對(duì)翼展產(chǎn)生這種動(dòng)態(tài)力量時(shí)方法較為困難，因些給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試帶來困難，特別是應(yīng)對(duì)在多種不同海洋或空中環(huán)境下的需求，采用地面模擬方法相有一定難度。

1.4 舵機(jī)和翼展傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的耦合效應(yīng)

由于舵機(jī)控制機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的扭矩較大，在水中和空中飛行時(shí)，有相應(yīng)的阻力與其發(fā)生反作用，而在地面測(cè)試的過程中，由于缺乏相應(yīng)的阻力作用，單向舵機(jī)控制動(dòng)力很容易對(duì)測(cè)試機(jī)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)耦合效果，從而發(fā)生運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)。根據(jù)舵機(jī)控制算法，在運(yùn)動(dòng)過程中，可能會(huì)產(chǎn)生較大的飽合控制力，當(dāng)多次發(fā)生飽合控制量時(shí)，形成BANG-BANG控制，舵片和舵機(jī)系統(tǒng)很可能會(huì)發(fā)生較為強(qiáng)烈自激振蕩過程，振蕩與測(cè)試裝置發(fā)生諧振后，對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)有不利的影響，甚至損壞舵機(jī)設(shè)備和結(jié)構(gòu)，從而影響測(cè)試的準(zhǔn)確度。

2 舵機(jī)測(cè)試機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的舵機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，潛航器或飛行器舵機(jī)測(cè)試機(jī)構(gòu)要能夠適用于相應(yīng)的裝備型號(hào)，在不同環(huán)境下多種工況和多種翼展形狀的測(cè)試。如圖1所示為對(duì)其中一種飛行器的翼展進(jìn)行測(cè)試的技術(shù)方案圖。該方案能夠快速安裝并完成對(duì)舵機(jī)裝置在不同環(huán)境下，多種工況的測(cè)試工作，而且該測(cè)試機(jī)構(gòu)具備拆裝簡(jiǎn)便，測(cè)試力矩可調(diào)節(jié)，飛行器外框架結(jié)構(gòu)固定穩(wěn)定的特點(diǎn)。

圖1 舵機(jī)測(cè)試機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Rudder testing mechanism illustration

按照舵機(jī)測(cè)試機(jī)構(gòu)的整體技術(shù)方案，可以將整個(gè)機(jī)構(gòu)分為三大部分，即底座、前后固定器，鎖緊裝置，加載機(jī)構(gòu)。

2.1 穩(wěn)定的底座設(shè)計(jì)

舵機(jī)測(cè)試裝置底座是所有零部件的載體，底座部分重量較大。對(duì)于潛航器或飛行器這種振動(dòng)較大的部件測(cè)試試驗(yàn)，底座的重量需要能夠滿足設(shè)備固定要求，并且能夠有效地抑制被測(cè)試部件與測(cè)試機(jī)構(gòu)之間的共振。為了能夠進(jìn)一步衰減振動(dòng)和固定牢固，在設(shè)計(jì)上還在底座上安裝有地腳螺栓，在進(jìn)行高頻飽合力矩等極限測(cè)試工況條件下，可以將底座通過地腳螺栓固定在地面澆注的安裝柱上，從而達(dá)到在高沖擊條件下避免諧振的要求；底座上方設(shè)有連接孔，其上方的前后固定器通過這些孔與底座連接，也可以根據(jù)被測(cè)部件的不同，在安裝孔上連接不同的前固定座；另外通過底座上的卡口與前后固定器配作連接，可以保障前后固定器能夠?qū)⒈粶y(cè)組件準(zhǔn)確地固定在與地面平行的水平直線上，底座的設(shè)備如圖1所示。

2.2 前后固定器設(shè)計(jì)

舵機(jī)測(cè)試裝置的前后固定器如圖1所示，固定器用于將飛行器固定在指定位置上，前后固定器上分別設(shè)有卡口，其外形尺寸與潛航器或飛行器端口配合，將舵機(jī)艙段部分置于前后固定器之間。固定器底部與底座通過螺栓連接，底座與固定器之間通過卡口定位。這樣，舵機(jī)艙段就通過前后固定器與底座將飛行器穩(wěn)定地固定在地面上。前后固定器的卡口與底面保證相當(dāng)精度的距離，從而使得飛行器能夠準(zhǔn)確地保持水平狀態(tài)，有利于提高舵機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。前后固定器安裝時(shí)，通過底座上的橫向定位裝置，將前后固定器的卡口在水平和垂直位置上對(duì)應(yīng)起來，保證前后固定器卡口的同心度，避免飛行器在橫向方向上受到固定螺栓預(yù)緊力的影響，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，從而能夠有效地防止舵機(jī)艙段發(fā)生變形，不至于影響舵機(jī)艙段的安裝精度，避免產(chǎn)生測(cè)試誤差。

2.3 空氣阻力扭矩模擬器設(shè)計(jì)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，舵機(jī)受到的空氣阻力與其截面面積在速度方向上的投影面積成正比，即：

其中F—舵片阻力；S—截面投影面積；V—速度；ρ—空氣密度；C—阻力系數(shù)。

在轉(zhuǎn)角15°范圍內(nèi)，投影面積與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可近似以計(jì)算公式（2），即投影面積與轉(zhuǎn)角之間存在線性比例關(guān)系，可與公式（1）聯(lián)立，即阻力與轉(zhuǎn)角之間存在線性比例關(guān)系，而測(cè)試裝置就是利用這個(gè)原理來模擬舵機(jī)裝置在行時(shí)工況下的實(shí)際阻力，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。

式中：S—截面投影面積；f—舵片面積；delta—舵片轉(zhuǎn)角。

按以上公式原理，在潛航器或飛行器在一定速度下行進(jìn)，即舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩為：

式中：M—阻力矩；F—空氣阻力；b—舵片幾何中心點(diǎn)。

與空氣動(dòng)力產(chǎn)生的阻力矩相平衡。因此，在設(shè)計(jì)阻力扭矩模擬器時(shí)，用彈簧來模擬空氣阻力力矩，只需滿足彈簧的阻力系數(shù)：

3 結(jié)束語

長(zhǎng)期以來，潛航器和飛行器舵機(jī)的地面測(cè)試是總體設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)，由于涉及到電機(jī)、舵機(jī)結(jié)構(gòu)、舵片空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等多種因素，因而設(shè)計(jì)難度大，測(cè)試過程周期長(zhǎng)，不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)將會(huì)影響到設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工作。本文所提出的舵機(jī)測(cè)試機(jī)構(gòu)，具有對(duì)舵機(jī)艙段固定穩(wěn)定，空間定位準(zhǔn)確，加載均勻，易于調(diào)整的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，測(cè)試精度高，測(cè)試周期短，成本低，易于操作。該裝置已在多個(gè)舵機(jī)測(cè)試和研制過程中使用，取得了令人滿意的效果，提高了研發(fā)效率，具有很好的實(shí)用價(jià)值。