阅读说明：本技术 一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置 (Device for measuring lift force of control surface of ducted aircraft ) 是由 张汝康 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置,该装置包括气流发生机构、舵面测试机构和支撑底座,所述支撑底座平置底面上,所述气流发生机构通过紧固件固定在所述支撑底座上表面；所述舵面测试机构固定在所述气流发生机构的正上方,该装置中的舵面测试机构利用静态扭矩传感器测出舵面对旋转装置产生的转矩,然后通过所测得的转矩除以舵面中心到旋转中心的距离得出舵面升力,本发明解决了现有技术中舵面测量误差高,且无法同时测量不同偏角不同位置下的舵面升力,提高了测量精度,且适用多条件下进行测量,通用性高,为飞行器设计研发提供了理论支撑。(The invention relates to a device for measuring the lift force of a control surface of a ducted aircraft, which comprises an airflow generating mechanism, a control surface testing mechanism and a supporting base, wherein the supporting base is horizontally arranged on the bottom surface, and the airflow generating mechanism is fixed on the upper surface of the supporting base through a fastening piece; the control surface testing mechanism is fixed right above the airflow generating mechanism, the control surface testing mechanism in the device measures torque generated by a control surface to the rotating device by using the static torque sensor, and then the control surface lift force is obtained by dividing the measured torque by the distance from the center of the control surface to the rotating center.)

一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置

技术领域

本发明涉及升力测量技术领域，具体的说是一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置。

背景技术

涵道式飞行器以涵道内的螺旋桨提供动力，在涵道机体内部螺旋桨的下方安装用来控制机体姿态的舵面，流经舵面的气流使控制舵面产生升力和阻力。在涵道式飞行器的设计中，舵面产生的升力用来控制无人机的姿态和飞行轨迹，也用来平衡螺旋桨产生的反扭矩，舵面的升力测量尤为重要。为了测量气流流过舵面使舵面产生的升力，需要一种专用于舵面测量的测量装置。

中国专利文献CN106289710B公开了一种翼型模型测力系统，包括：一对支架，均竖向设置；一对连接座，各连接座以可沿所述支架做无摩擦损耗地滑动的方式地设置在各支架上；阻力测量天平，其连接于其中一个连接座；阻力和俯仰力矩测量天平，其连接于另一个连接座；一对连接杆，其中一个连接杆的一端连接至阻力测量天平，另一个连接杆的一端连接至阻力和俯仰力矩测量天平，各连接杆的另一端连接至翼型模型的前端，以将翼型模型支撑于一对支架之间；以及一对升力测量装置，各升力测量装置设置在各支架上，各升力测量装置的升力传递构件连接至各连接座。本发明采用双支撑系统，翼型模型支撑于该一对支架之间，系统支撑刚度高，翼型模型在自重和风载作用下变形小，该装置可对舵面升力进行测量，但该装置体积大，占用空间较多，且测量的升力数据收到舵面阻力干扰误差加大。

中国专利文献CN209085816U公开了一种涵道螺旋桨升力组合测量试验系统，包括螺旋桨升力测量装置及涵道升力测量装置；螺旋桨升力测量装置包含螺旋桨、扭矩传感器、第一压力传感器、滑道杆和第一固定板，螺旋桨升力测量装置能够测量螺旋桨产生的升力及扭矩大小；涵道升力测量装置包含电动推杆、第二压力传感器、撑杆和位移传感器，涵道升力测量装置能够改变涵道的高度从而改变涵道与螺旋桨之间的间隙，同时涵道升力测量装置能够测量涵道产生的升力大小。本实用新型操纵简单、使用高效、测量精确，不仅用于测量涵道螺旋桨产生升力的大小，同时还能测量螺旋桨与涵道之间不同间隙大小下升力的变化，该系统可测量多条件测量螺旋桨的升力，但对舵面测量不适用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置，解决了现有技术中舵面测量误差高，且无法同时测量不同偏角不同位置下的舵面升力的问题，提高了测量精度，且适用多条件下进行测量，通用性高。

本发明所公开的具体的技术方案如下：一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置，包括舵面测试机构，所述舵面测试机构包括舵面偏转机构和舵面旋转机构，所述舵面偏转机构与所述舵面旋转机构固定连接。

所述舵面偏转机构包括舵面、具有支撑作用的可旋转部件和舵机，所述舵面的迎风面与水平方向垂直，所述舵面设有多组，各组舵面并排放置且各组舵面的上下两端分别通过一根固定块连接固定，构成一个舵面单元，所述舵面单元的上下两端分别连接一组可旋转部件，且其中一组可旋转部件与所述舵机固定连接，所述舵机控制可旋转部件进行转动，带动舵面整体进行偏转；

所述舵面旋转机构包括静态扭矩传感器和传感器传动轴，所述静态扭矩传感器一端通过所述传感器传动轴与所述舵面偏转机构固定连接，且所述传感器传动轴的轴向与所述可旋转部件的轴向垂直，当气流通过舵面时，在舵面的左右方向上产生升力，整个舵面偏转机构会绕传感器传动轴轴向发生偏转，通过与传感器传动轴固定连接的静态扭矩传感器可测得所述舵面偏转机构对传感器传动轴产生的扭矩大小，同时由于当气流通过舵面时，会对舵面正面产生阻力，而左右两侧产生升力，因此当所述传感器传动轴的轴向与所述可旋转部件的轴向垂直时，气流对舵面所产生的阻力无法传递至静态扭矩传感器，避免了阻力对静态扭矩传感器产生影响。

所述舵面测试机构还包括横向调节机构和竖向调节机构，所述横向调节机构位于所述竖向调节机构下方，且与所述竖向调节机构固定连接，所述舵面旋转机构固定连接在所述横向调节机构下方；所述竖向调节机构优选采用多组带锁直线轴承，所述带锁直线轴承分别可竖直滑动的套设在所述测试支撑立柱上，且高度始终保持一致；所述横向调节机构下表面设有槽型结构，所述槽型结构内设置有多组用于固定的条形孔，所述舵面旋转机构固定连接在所述槽型结构内。由于涵道式飞行器中螺旋桨下方设有多组用来控制飞行器姿态和飞行轨迹的舵面，因此通过调节竖向调节机构的高度，调节舵面整体中心与气流发生机构中螺旋桨的轴心的距离，可模拟测量涵道式无人机中螺旋桨轴心与不同距离下舵面结构的升力。同时通过调节横向调节机构模拟舵面与螺旋桨旋转平面的不同距离，可测出螺旋桨平面与舵面的不同距离下的升力数据，从而找出最优距离，为飞行器研发提供了数据支持为飞行器研发提供数据支持。

进一步的，所述舵面偏转机构内的可旋转部件水平方向设有舵面固定座，所述舵面固定座通过竖直设置的连接板相互固定，其中一组舵面固定座上设有舵机固定座，该结构可为舵面以及舵机结构提供支撑，降低舵面晃动对舵机产生的冲击，延长测量机构的使用寿命。

进一步的，所述舵机与所述可旋转部件通过第一联轴器固定连接，联轴器可兼有补偿两轴之间由于制造安装不精确、工作时的变形或热膨胀等原因所发生的偏移(包括轴向偏移、径向偏移、角偏移或综合偏移)，准确地传递扭矩，使得所述舵机精确地控制舵面的偏转角度。

进一步的，所述静态扭矩传感器两端分别沿竖向设有传感器固定座，所述传感器固定座通过水平设置的连接板相互固定，所述静态扭矩传感器与所述传感器传动轴通过第二联轴器固定连接，该结构将传感器传动轴与静态扭矩传感器的位置进行支撑固定，避免了传感器传动轴对静态扭矩传感器产生径向扭矩，损毁传感器。

还包括气流发生机构和支撑底座，所述支撑底座平置在地面上，上方固定连接所述气流发生机构，所述舵面测试机构位于所述气流发生机构上方，且与所述支撑底座固定连接。

进一步的，所述舵面测试机构还包括舵面支撑机构，所述舵面支撑机构固定在所述气流发生机构上方，其包括多组测试支撑立柱和顶部安装板，所述顶部安装板水平设置在所述舵面支撑机构的顶部，所述测试支撑立柱分别位于所述顶部安装板的边角正下方，且一端与所述顶部安装板的边角垂直固定，另一端与所述气流发生机构固定连接。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明通过舵机可控制舵面的偏角，从而得出不同偏角下舵面的升力数据，为飞行器的姿态控制提供了理论数据。

2)本发明可通过竖向调节机构调节舵面中心到转轴中心的距离以及可通过横向调节机构调节舵面到螺旋桨旋转平面的距离，为单涵道式无人机的设计提供了重要的数据。

3)本发明整个测试装置中通过舵面与传感器间的结构设计，以及联轴器的偏移补偿作用，降低了舵面阻力以及振动对扭矩传感器产生的影响，进一步提高了测量精确度。

4)本发明可兼容各种不同翼型的舵面和各种不同尺寸的舵面，且舵面可测多个，具有更强的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置的结构图；

图2是本发明实施例中一种气流发生机构的结构图；

图3是本发明实施例中一种舵面测试机构的结构图；

图4是本发明实施例中一种舵面偏转机构与舵面旋转机构的侧视结构图；

图5是本发明实施例中一种舵面偏转机构与舵面旋转机构的立体结构图；

附图中附图标记的具体含义为：

1-气流发生机构、101-螺旋桨、102-发动机、103-侧面安装板、104-安装板、105-第一底板、106-发动机支撑立柱、107-第二底板、2-舵面测试机构、201-舵面偏转机构、20111-舵面、20112-舵面转轴、20113-舵面轴承座、20114-轴承座安装板、20115-连接板、20116-第一联轴器、20117-小转轴、20118-舵机臂、20119-舵机、20120-舵机安装板、20121-总转轴连接板、202-舵面旋转机构、20211-传感器传动轴、20212-大轴承座、20213-顶板、20214-第二联轴器、20215-静态扭矩传感器、20216-传感器连接板、203-横向调节机构、204-竖向调节机构、205-舵面支撑机构、20511-测试支撑立柱、20512-顶部安装板、3-支撑底座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

结合图1-5所示，一种测量涵道式飞行器舵面升力的装置，包括气流发生机构1、舵面测试机构2和支撑底座3，所述支撑底座3为平置的方形板，沿边缘设置有若干个支撑脚，其上表面设有多个固定孔；所述气流发生机构1通过紧固件固定在所述支撑底座3上表面；所述舵面测试机构2固定在所述气流发生机构1的正上方。

所述舵面测试机构2包括舵面偏转机构201、舵面旋转机构202、横向调节机构203、竖向调节机构204和舵面支撑机构205，所述舵面支撑机构205固定于所述气流发生机构1上方，所述竖向调节机构204位于所述舵面支撑机构205内，且沿所述舵面支撑机构205竖向移动；所述横向调节机构203位于所述竖向调节机构204下方，且与所述竖向调节机构204固定连接；所述舵面旋转机构202固定在所述横向调节机构203下方；所述舵面偏转机构201位于所述舵面支撑机构205内部，且所述舵面偏转机构201与所述舵面旋转机构202固定连接。

所述气流发生机构1包括螺旋桨101、发动机102、侧面安装板103、安装板104、第一底板105、发动机支撑立柱106和第二底板107，所述第二底板107固定在所述支撑底座3上，其正上方设有第一底板105；所述第一底板105和所述第二底板107之间通过多根发动机支撑立柱106固定连接；所述发动机102通过安装板104和侧面安装板103水平固定在所述第一底板105上；所述螺旋桨101与所述发动机102的驱动轴固定连接。

所述舵面偏转机构201包括舵面20111、舵面转轴20112、舵面轴承座20113、轴承座安装板20114、连接板20115、第一联轴器20116、舵机20119、舵机安装板20120和总转轴连接板20121，所述连接板20115竖向放置，其上下两端分别水平固定连接一组轴承座安装板20114，且每组轴承座安装板20114的端部均固定连接有舵面轴承座20113；所述舵面20111的迎风面与水平方向垂直，所述舵面20111设有多组，各组舵面20111并排放置且各组舵面的上下两端分别通过一根固定块连接固定，构成一个舵面单元，所述舵面单元的上下两端分别连接一组舵面转轴20112，且通过所述舵面转轴20112可旋转的固定在所述舵面轴承座20113之间；所述总转轴连接板20121一端竖向固定在上部的轴承座安装板20114上，另一端与水平方向设置的舵机安装板20120固定连接；所述舵机安装板20120上设有凹口，所述舵机20119位于凹口内，并与所述舵机安装板20120固定连接；所述舵机20119的底部设置有舵机臂20118和小转轴20117，所述舵机臂20118与小转轴20117固定连接，并通过第一联轴器20116与上部的舵面轴承20112固定连接。

所述舵面旋转机构202包括大轴承座20212、第二联轴器20214、静态扭矩传感器20215、顶板20213、传感器连接板20216和传感器传动轴20211，所述顶板20213的宽面与所述横向调节机构203固定连接，其下表面的两端分别固定连接所述大轴承座20212和所述传感器连接板20216；所述大轴承座20212的中部设置有可旋转的传感器传动轴20211，所述传感器传动轴20211一端与所述总轴承连接板20121固定，另一端连接所述第二联轴器20214；所述静态扭矩传感器20215一端固定在所述传感器连接板20216上，另一端通过所述第二联轴器20214与所述传感器传动轴20211固定连接。

所述舵面支撑机构205包括多组测试支撑立柱20511和顶部安装板20512，所述顶部安装板20512为方形板，其水平设置在所述舵面支撑机构205的顶部，所述测试支撑立柱20511分别位于所述顶部安装板20512的边角正下方，且一端与所述顶部安装板20512的边角固定，另一端与所述第二底板107固定连接。

所述第一底板105表面对应所述测试支撑立柱20511的位置设置有通孔。

所述竖向调节机构204包括多组带锁直线轴承，所述带锁直线轴承分别滑动固定在所述测试支撑立柱20511上，且高度保持一致。

所述横向调节机构203为矩形板，其下表面的中间位置设有矩形槽结构，所述矩形槽结构内表面的两侧边缘沿长边方向对称设置有多组条形孔，所述矩形板边缘与所述带锁直线轴承固定连接。

作为一种替代方式，本实施例中所述舵机20119可采用伺服电机或步进电机替代，以达到控制调节舵面偏角的目的；本实施例中所述静态扭矩传感器20215可采用压力传感器替代，通过测量舵面旋转机构对压力传感器的压力计算出舵面升力。

本发明中测量装置得具体操作步骤如下：

S01.根据测量需要安装一组或多组舵面；

S02.通过横向调节机构调节舵面与螺旋桨旋转平面的距离,通过竖向调节机构调节舵面中心与转轴中心的距离；

S03.通过舵机调节舵面与气流方向之间的偏角；

S04.测量并记录舵面中心与转轴中心的距离；

S05.发动机启动，带动螺旋桨旋转产生气流，由风速传感器测量数值平稳后，通过静态扭矩传感器得到当前扭矩；

S06.计算舵面的升力；

S07.调节竖向调节机构，测出与螺旋桨中心轴不同距离下的舵面升力；

S08.调节横向调节机构，测出与螺旋桨旋转平面不同距离下的舵面升力；

S09.关闭发动机，拆除舵面。

所述S06步骤中计算舵面的升力的具体方法为：将静态扭矩传感器测出的转矩除以舵面中心到转轴中心的距离，所得结果为当前舵面的升力，该方法依据的原理为扭矩在物理学中就是特殊的力矩，等于力和力臂的乘积。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。