空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验方法及系统

本发明属于机械工程领域，具体涉及一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验方法及系统。

背景技术：

1、空天飞行器是指能够在稠密大气层、临近空间、轨道空间往返飞行的重复使用运输系统。该飞行器集航空、航天技术于一身，既能满足民用运输需求又能执行军事任务，具有自由进出空间、按需返回地面、可重复使用的典型特点，代表了航空航天领域空天一体化的趋势，是当前航空航天领域科学研究的最前沿，已成为未来大规模空间开发及确保空间优势的关键因素。空天飞行器在进行超高机动动作时，空天发动机的轴承-转子系统承受附加载荷作用，产生更加复杂的非线性动力学特性；遗憾的是受限于技术发展水平，目前尚无完备的机动飞行状态下轴承转子系统的动力学特性模拟试验装置，这也为空天发动机的安全性和可靠性带来极大的风险。因此，针对空天发动机轴承转子系统在超高机动飞行状态下的试验模拟方法研究尤为重要。

2、空天飞行器不仅能够进行航空飞行，也能够用作太空运载工具及载人航天器，并可反复使用，包括单次或多次入轨航天器和高超声速飞机，它是在航空技术和航天技术高度融合基础上发展起来的新型飞行器，其商业价值和军事价值巨大。由于其飞行速度快、机动性好等优点，使其在未来战争中发挥着越来越重要的作用。因此，世界各国历来十分重视空天飞行器的研制工作。机动飞行是指飞行器在空间中不断改变运动状态(包括速度、加速度、角速度、角加速度等飞行参数)的飞行过程，是飞行器动力转子系统特有的运行环境，是评价空天发动机性能的重要指标。同时，机动性能也是空天飞行器重要的战术性能指标，良好的机动性能可以为空天飞行器带来卓越的空中格斗和突防能力。空天飞行器进行超机动飞行时，迎角和角速率的变化范围都相当大，其动力学特性呈现出强耦合、强非线性的特点，这使得空天发动机轴承转子系统工作环境更为恶劣。

3、关于机动飞行下产生的附加惯性力和惯性力矩对转子系统动力学特性的影响的相关资料较少，尤其针对试验方面的研究。其中，关于机动飞行下产生的附加惯性力矩，国军标《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》(gjb 241a-2010)中做出明确规定：除装机对象有明确要求外，发动机在最高允许稳态转速下经受下述条件所造成的陀螺力矩时应能满意地工作。a)绕垂直于转子轴线平面内的任一轴线，以3.5rad/s的角速度和1g或-1g的垂直载荷系数持续工作15s；b)绕垂直于转子轴线平面内的任一轴线，以1.4rad/s的稳态角速度和最大载荷系数工作，有无限循环寿命。此外，关于机动飞行下产生的附加惯性力，国军标《军用装备实验室环境试验方法第15部分：加速度试验》(gjb 150.15a-2009)中做出明确规定，试验件应该在下表中规定的g值中，稳定工作至少1min。

4、表1加速度试验推荐g值

5、

6、现有部分学者通过试验手段对机动飞行的转子动力学进行分析，但考虑因素较为局限，无法满足国军标要求。天津大学曹树谦等(白雪川，曹树谦，杨蛟等.机动飞行时发动机反向旋转双转子动力学实验研究[j].机械科学与技术，2015，34(04):623-628.)建立了基础运动双转子模型试验台，分别开展了横滚运动、俯仰运动和偏航运动等机动飞行条件下双转子系统的动力学试验研究，但其试验台主要针对传统载人战机，机动过载量较小；其设计转台的最大负载重量仅为40kg，转动角度限制在±45°范围内，不能整周转动。沈阳航空航天大学的潘五九等(潘五九，郝军凯，曲浩永等.一种模拟机动飞行航空发动机转子的实验装置及使用方法:cn113295425a[p].2021-05-25.)设计了一种模拟机动飞行航空发动机转子的实验装置，只能模拟飞机做俯仰动作时转子系统的振动响应情况。南京航空航天大学罗贵火等(南京航空航天大学.一种模拟机动飞行时转子动力特性的试验装置及试验方法:cn202011297168.5[p].2021-04-13.)公开了一种模拟机动飞行时转子动力特性的试验装置，但该实验装置只能模拟离心过载。南方科技大学的陈曦等(陈曦，甘晓华，向凤光等.航空发动机转子飞行状态模拟实验平台:cn112710459a[p].2020-12-15.)公开了一种航空发动机转子飞行状态模拟实验平台，该实验台能够真实模拟了航空飞行器在横滚、俯仰、偏航以及上述姿态的耦合运动，但该实验装置无法模拟大机动飞行状态下产生的过载情况。而对于空天飞行器，其发动机部件的服役温度更高，速度更大，部件的工作环境耦合更加复杂。高机动飞行形成的复杂载荷变化以及强瞬态特性等极端条件，给空天动力结构强度设计和评估带来巨大挑战。一代动力、一代材料、一代装备，研究极端服役环境下结构的安全性评估理论与方法，对实现空天的安全、高效运行至关重要。

7、综上所述，有关机动飞行试验取得一定的研究成果，但受限制于技术水平，现有试验台只能开展某一飞行姿态的模拟，无法开展较大离心载荷和附加陀螺力矩同时作用下轴承转子系统动力力学特性试验研究，难以真实实现空天发动机机动飞行载荷的模拟实验。因此迫切需要一种技术方案来实现空天发动机转子轴承系统的天地一致性模拟试验。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验方法及系统，解决因实验条件不足而造成而导致的空天发动机轴承转子系统动力学分析不准确、不全面的问题，一定程度上填补了技术空白点。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验系统，包括离心机、工作转臂、两轴转台以及工作平台；离心机的输出部安装工作转臂，工作转臂上设置两轴转台和离心机配重，两轴转台包括机械台体，机械台体采用u-o的结构形式，机械台体包括内框架、外框架、底座及转轴，内框架安装于外框架中，外框架安装在底座上，底座与工作转臂转动连接；内框架用于带动负载模拟横滚运动，内框架中设置工作平台，工作平台与内框架主轴连接，工作平台上安装轴承-转子系统。

3、进一步的，离心机为基础平台，用于支撑、安装和固定两轴转台，并提供离心加速度模拟附加离心力，用于实现包括俯冲和偏航的大机动过载飞行过程中轴承-转子系统离心载荷的等效模拟；两轴转台实现机动飞行过程轴承-转子系统承受附加陀螺力矩的等效模拟；离心机和两轴转台构成机动飞行模拟装置，模拟机动飞行状态下的真实工况条件；外框架用于带动负载模拟俯仰运动，外框架有两个轴系，外框架承受负载和内框架的轴向载荷。

4、进一步的，工作转臂上设置多个不同转动半径的安装位置，离心机设计能提供最大稳定工作离心加速度为30g，离心机最大转动角速度10.8rad/s，外框架轴系两端设置高精度角接触轴承和深沟球轴承配合使用，外框架最大转动角速度都达到3.5rad/s，俯仰角加速度最大14rad/s2，内框架横滚角加速度为6～10rad/s2，两轴转台负载最大重量为100kg。

5、进一步的，离心机包括离心机电机和集流环装置；离心机电机的主轴连接调速装置，调速装置的输出轴连接工作转臂，离心机电机的主轴或调速装置的输出轴上设置高精度旋转编码器；集流环装置位于离心机输出轴的顶部。

6、进一步的，内框架和外框架主轴分别连接一套力矩电机，力矩电机分别驱动内框架和外框架，内框架和外框架的轴系上配置测角圆光栅，内框架和外框架的轴系上设置机械锁紧装置。

7、进一步的，通过防护罩对机械台体进行安全保护，内框架和外框架上设置机械锁紧装置，底座采用铸造铝合金制成。

8、进一步的，轴承-转子系统为简支支承结构，转子轴系配置电主轴进行直驱，两侧同为角接触球轴承或圆柱滚子轴承，转子轴系两端支承处设置三相加速度传感器，靠近轮盘和叶盘位置处设置位移传感器，轮盘处设置叶尖间隙传感器，轴承上设置温度、声发射和应力传感器。

9、本发明还提供一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验方法，包括以下步骤：通过计算获得等效载荷作为实验输入；

10、经过载荷求解，转换为实验系统的输入参数；根据求得结果，对离心机和两轴转台设置不同的系统参数，控制空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验装置实现附加离心力和陀螺力矩的耦合模拟。

11、进一步的，获取轴承转子系统的几何参数、材料属性和运行状态；

12、建立地面固定坐标系oxyz描述飞机的空间运行状态，建立机体相对坐标系oxyz，描述飞机绕自身转动特性；建立固定在发动机上的转子静变形位置坐标系ox'y'z'，其各轴分别与机体相对坐标系oxyz的对应轴平行；

13、将机动飞行运动作为轴承转子系统的牵连运动，通过各个坐标系的转换关系，将运动过程中的飞行参数转换为轴承转子系统相对基础的运动参数；转子由圆盘、集中质量和无质量的弹性轴段组成；而后，分别计算转子系统的动能、势能、瑞利耗散能；采用第二类lagrange方程得到飞机在任意空间机动飞行条件下转子系统的动力学微分方程；

14、采用数值计算方法求解轴承转子系统的动力学微分方程，得到机动飞行状态下附加载荷作用大小。

15、进一步的，空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验装置系统控制参数求解包括以下步骤：

16、加速度模拟实验载荷求解：将飞机的合加速度沿着机体坐标系分析，得到x轴方向过载gx、y轴方向过载gy和z轴方向过载gz，以两轴转台重心为坐标原点o，设转台的固定坐标系为oxyz，飞机机体坐标系为oxyz，初始时两坐标系重合；转台绕ox轴滚转β角，绕oy轴俯仰γ角，系统稳定后β、γ角不再改变，转台各个轴处于固定位置，存在向心加速度ω2r，以及重力加速度g，将gx、gy和gz沿坐标系oxyz分解，得加速度平衡方程，求解加速度平衡方程得到相应运动状态下离心机的各个参数；其中，γ为俯仰角度，β为滚转角度，ω为离心机转速；

17、陀螺力矩模拟实验载荷求解：根据转子受到附加陀螺力矩公式，计算获得等效绕轴转动速度，求解得到相应运动状态下转台的各个参数；

18、典型机动飞行过程载荷求解：空天发动机承受离心加速度和陀螺力矩的同时作用，分别进行陀螺力矩模拟实验载荷求解以及加速度模拟实验载荷求解，求解获得两轴转台和离心机的各个参数。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

20、本发明提出的一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验系统，包括离心机、工作转臂、两轴转台、试验装置以及工作平台，能够通过离心机实现俯冲、转弯等大机动过载飞行过程中轴承-转子系统离心载荷等效模拟；通过多轴转台实现机动飞行过程轴承-转子系统承受附加陀螺力矩的等效模拟；最后，结合离心机和多轴转台构成机动飞行模拟装置，模拟机动飞行状态下的真实工况条件，对轴承-转子系统进行性能试验；本发明为航空发动机轴承-转子系统地面试验提供机动飞行环境，对于真实航空发动机典型服役工况环境特性具有较高的还原度。

21、本发明提出的一种空天发动机动力学特性天地一致性模拟试验方法提出通过建立机动飞行下轴承-转子系统动力学模型，并分析得到俯仰、偏航和横滚等机动飞行状态下附加载荷作用大小，经过载荷求解，转换为实验系统的输入参数，一定程度上克服了难以直接获得轴承-转子系统在真实空天发动机机动飞行环境中的真实数据的难题，通过计算获得等效载荷作为实验输入更为方便。