[發明專利]一種臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統及測試方法

在審

• 申請號: 201610966257.1
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106596033A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 周波;李喜樂;李廣佳;孫凱軍;朱文國
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 徐輝

技術領域

本發明涉及一種高精度軌道拖車搭載臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統及測試方法，用于臨近空間螺旋槳在不同飛行高度下氣動性能的地面試驗測試，屬于空氣動力學的技術領域。

背景技術

隨著儲能電池技術和無刷電動機技術的發展，電動飛機越來越受到人們的重視。常規的電動飛機具有體積小、重量輕、低成本、操縱方便、機動靈活、噪音小、隱蔽性好等特點，具有很高的軍事和民用價值。以太陽能最為動力來源的飛行平臺能夠在空中停留無限長時間，也成為現代無人機發展的一個重要方向。目前，電動飛機的一個顯著共同點是均采用螺旋槳電推進系統，其效率嚴重影響著無人機總體設計、結構重量和飛行性能等要素。推進系統的綜合性能主要取決于螺旋槳和電動機的性能和效率，以及兩者之間的匹配特性。

臨近空間太陽能無人機飛行高度為0km～30km之間，飛行速度范圍8m/s～45m/s，具有飛行高度和速度跨度大的特點。作為其主要動力裝置的螺旋槳處于高空低密度工作環境，20km高度的大氣密度約為海平面的1/14，壓強約1/18，呈低密度、低雷諾數效應。目前，國外將臨近空間螺旋槳試驗分為二維低雷諾數螺旋槳翼型試驗和三維螺旋槳試驗兩部分，試驗方法主要有地面增壓式風洞試驗和臨近空間氣球/滑翔機搭載試驗兩種方法。這兩種方法都具有準確度好的特點，但是投入成本高、建設周期長，國內尚不具備這樣的試驗條件。

目前，國內較多采用的臨近空間螺旋槳試驗方法是地面常規低速風洞縮比模型試驗和地面車載試驗。然而，國內低速風洞在風速低于8m/s時流場品質難以保證，模擬不準確，對實驗結果影響較大。常規地面車載試驗容易受外界風和地面路況等因素的干擾，都會對試驗結果造成一定的影響。如何在地面模擬螺旋槳的臨近空間工作狀態，是本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，利用國內現有試驗條件，提供一種臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統及測試方法，模擬螺旋槳的臨近空間工作狀態，進行螺旋槳性能試驗。

本發明的技術解決方案是：

一種臨近空間螺旋槳地面試驗測試系統，包括螺旋槳前進速度控制系統、螺旋槳轉速控制系統、數據測量及采集系統。所述螺旋槳前進速度控制系統包括高精度直線型軌道、拖車、同步電機、拖車供電系統及控制系統；螺旋槳轉速控制系統由電動機和電機控制器組成；數據測量及采集系統包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括二分量天平、轉速測量系統、車速測量系統、控制計算機、供電電源、數據采集處理器；軟件部分主要包括數據采集、數據處理與管理、數據傳輸與通信以及狀態監控四個主要功能。所述螺旋槳轉速控制系統和數據測量及采集系統分別與螺旋槳前進速度控制系統采取電磁隔離措施。

所述螺旋槳直接安裝于電動機輸出軸，所述二分量天平同軸安裝于電動機外部，天平支座固定于所述拖車頭部伸出的懸臂支架前端，所述拖車頭部呈流線型。

所述螺旋槳前進速度通過控制拖車速度實現，所述電動機控制螺旋槳轉速，所述天平測量電動機輸出扭矩的反作用扭矩和拉力。

所述控制計算機發送測試操作指令，接收并處理各測量數據，將數據以Excel表格格式存儲在存儲器中，顯示器實時顯示測試數據；供電電源為整個測試系統供電，數據采集處理器通過通訊接口獲取車速測量系統、轉速測量系統和天平所測數據。

還提供了一種采用這種測試系統的臨近空間螺旋槳氣動特性測試方法，包括如下步驟：

第一，根據等雷諾數、等前進比相似準則，即：

得：

轉速比尺：

速度比尺：

拉力比尺：

功率比尺：

其中，下標1表示地面高度狀態參數，下標2表示飛行高度參數。η_L＝D₁/D₂為長度比尺，η_υ＝υ₁/υ₂為空氣運動粘性系數比尺。

根據試驗段尺寸及可用車速及電動機轉速范圍，確定螺旋槳長度比尺，加工制造縮比模型螺旋槳。利用式(3)～(4)中轉速、速度比尺將高空飛行狀態下的飛行速度和螺旋槳轉速轉換到地面狀態。

第二，在進行螺旋槳試驗之前，完成流場速度標定試驗。將超聲風速儀安裝在懸臂支架前端，測量不同車速下懸臂支架附近不同站位處流場速度及流場品質，計算車速與懸臂支架前端附近的流場速度差，得出試驗狀態螺旋槳前進速度對應車速。