[发明专利]一种毫牛级表面摩擦力测量装置

说明书

本发明提供了一种毫牛级表面摩擦力测量装置，该测量装置底座四角带有四个螺纹孔以便于固定在被测模型内；传感器内部布置有一定切型的压电石英晶片；双头螺柱和螺母用于底座，传感器和上盖的连接；聚四氟乙烯套位于传感器中心孔与双头螺柱之间，起到定位作用，保证底座，传感器和上盖的中心在同一条直线上；防尘板用于封装及防止灰尘进入连接部位；转接板用于连接上盖及长杆；长杆用于对微小摩擦力放大；感测头上表面用于感测空气表面摩擦力。本发明利用压电式扭矩传感器与杠杆原理相结合对飞行器表面微小摩擦力进行测量，能够有效避免竖直方向力的干扰，同时利用杠杆原理对表面微小摩擦力放大，能够实现对飞行器表面毫牛级摩擦力快速准确地测量。

技术领域

本发明属于压电测力技术领域，应用于飞行器模型风洞试验，具体涉及一种毫牛级表面摩擦力测量装置，可实现对飞行器表面毫牛级摩擦力的测量。

背景技术

表面摩擦阻力是飞行器飞行过程中的一大阻力来源，研究表明，亚音速飞行器巡航状态摩擦阻力占总阻力可达50％。因此，减阻研究或摩阻特性研究对飞行器的性能有重要影响，降低摩擦阻力意味着在相同的燃料消耗下增加航程，或在航程一定情况下可以搭载更多的有效载荷，只有正确测量飞行器表面的摩擦阻力，才能为如何采用减阻措施提供正确指导方式。对飞行器的研制而言，高超声速条件下，飞行器表面的气动热主要来源于表面摩擦阻力，准确获得飞行器表面摩擦阻力的大小将为正确的热防护设计提供可靠依据。

目前，用于测量摩擦力的装置除了一些利用油膜的方法外，大部分装置的结构特点是采用悬臂梁结构，在悬臂梁的顶部安装一个可移动感测头来感测空气对飞行器表面的摩擦力。Meritt R J,Schetz J A,Marineau E C,et al.Direct Skin FrictionMeasurements at Mach 10in a Hypervelocity Wind Tunnel[J].Journal ofSpacecraftRockets,2017,54(4):1-12.介绍了一种漏斗状的表面摩擦力测量装置，利用在悬臂梁挠曲部位贴应变片的方法来感应水平方向的摩擦力，并在超高声速风洞中进行了实验。虽然这种方法能够测量水平方向的摩擦力，但在实际条件下，飞行器飞行过程中也会有竖直方向力的作用，那么如何在抵消竖直方向力干扰的情况下同时快速准确地测出水平方向的表面摩擦力成为航空航天领域一大难题。

本发明基于压电式扭矩传感器对飞行器表面空气摩擦力进行测量，以压电石英晶体为力学量敏感元件，具有高刚度、高固有频率、高灵敏度和稳定性优良的特点，非常适合用于精度高、动态性能好的力的测量。通过选择一定切型的晶片，合理的布置方式，使其对竖直方向的力不敏感，消除竖直方向力的干扰，同时结合杠杆原理对水平方向的表面摩擦力进行放大测量。

发明内容

本发明旨在提供一种能够快速准确测量飞行器表面空气摩擦力的装置，能够消除竖直方向力的干扰，且能对毫牛级表面摩擦力进行放大测量。

本发明的技术方案：

一种毫牛级表面摩擦力测量装置，包括测量装置底座1、传感器2、双头螺柱3、聚四氟乙烯套4、上盖5、螺母6、防尘板7、转接板8、长杆9和感测头10；所述的底座1和上盖5主体结构相同，四角均分别设有螺纹孔，用于固定在被测模型内；所述的传感器2内部布置有一定切型的压电石英晶片，传感器2安装于底座1和上盖5之间，通过双头螺柱3和螺母6配合实现连接；所述的聚四氟乙烯套4位于传感器2中心孔和双头螺柱3之间，起到定位作用，保证底座1、传感器2和上盖5的中心在同一条直线上；所述的上盖5的中心位置设有阶梯孔用于放置螺母6和防尘板7；所述的防尘板7用于封装及防止灰尘进入连接部位；所述的转接板8固定在上盖5上，用于连接上盖5及长杆9；长杆9用于对小力放大；所述的感测头10上表面用于感测空气表面摩擦力，下表面与长杆9螺纹连接。

本发明的有益效果：本发明利用压电式扭矩传感器与杠杆原理相结合对飞行器表面微小摩擦力进行测量，能够有效避免竖直方向力的干扰，同时利用杠杆原理对表面微小摩擦力放大，能够实现对飞行器表面毫牛级摩擦力快速准确地测量。