[科普中国]-风洞校准

简介

航空航天领域广泛地应用传感器技术，在飞机和导弹等飞行器表面采用压差归零式和风标对向式两种角度传感器便是一例。飞行员借助安装在飞机表面的角度传感器可以随时了解飞行姿态。同样，地面操纵人员通过对安装在飞行器表面的角度传感器随时获得高空飞行器的飞行姿态信息，及时遥控引导。然而，由于气流受到了飞行器本体的干扰影响，角度传感器所感受到的局部气流方向是被飞行器外形表面弯曲了的，与飞行器真实姿态角是不相同的，因此必须预先确定传感器感受到局部气流方向与飞行器真实角度两者之间的相互关系，才能获得飞行器的实际姿态角，因此，需要进行风洞校准测量1。

校准项目与方法校准项目校准项目主要包括两部分，首先在地面进行的静校，以及随后在风洞中进行的动校。前者是确定传感器系数以及非线性、迟滞、重复性、综合精度等产品性能参数，后者是确定角度传感器与飞行器实际角度之间关系，其中包括飞行器不同姿态角，如迎角、侧滑角、滚转角等对传感器校准的影响。同时还可确定不同试验风速和传感器安装位置对传感器校准的影响，并通过风洞试验达到优选传感器安装位置的目的。

校准方法首先把飞行器安装在风洞支撑机构上，将飞行器姿态角（如迎角、侧滑角、滚转角等）都调整到零度，误差在 3分以内。在飞行器左侧为迎角传感器，在飞行器正上方为侧滑角度传感器。传感器转轴要垂直飞行器表面，且传感器底座表面与飞行器表面外形保持一致，不能有突起或凹坑。传感器不要安装在表面曲率变化大的机头（或弹头）处，应在机身（或弹身）平直段前部位置。

风洞天平风洞天平则是直接感应和测量作用在模型六个自由度上气动力和力矩的高精度测量装置。风洞天平技术涉及天平材料、结构设计分析、加工制造技术、应变传感器技术和天平校准技术等。通常，天平校准可细分为静态校准和动态校准，静态校准是依据天平校准原理，利用天平校准装置，按照一定的校准方法，建立天平测量信号与所受气动载荷关系的过程，即获取天平公式和天平其他性能参数的过程。动态校准则是在静态校准的基础上，利用标模，在风洞中进一步校验天平性能的过程。由于风洞天平静校决定天平校准的效率和天平公式的准确性，关系到天平未来应用中模型气动数据测量的精准度，所以天平静校被认为是天平设计过程中最重要的环节2。

风洞天平在结构上设计有感应特定载荷作用下产生应变的结构弹性元，如升力元、阻力元等。在这些结构弹性元上，粘贴有电阻应变片并组成惠斯登电桥，每个电桥都主要针对一个自由度上的载荷，根据各电桥的电信号输出可以计算得到作用在试验模型上的气动力和力矩。

由于作用在风洞模型六个自由度上的气动载荷大小差别较大，尽管现代天平在结构设计时，利用计算机，采用了有限元分析、优化等先进设计技术，充分考虑天平各结构弹性元对其他载荷的抗干扰性，但由于天平空间尺度相对较小、结构复杂，各结构弹性元间的载荷或多或少都存在着干扰。因此必需通过天平校准来建立精确的天平公式，确定天平的精准度和不确定度等性能参数。