田洪清，纪斌义，秦 成

（92228部队， 北京 100072）

0 引言

对舵机系统以及与其相连的翼展的控制是对整个潜航器或飞行器设计的重要组成部分，传统设计方法是根据经验先对控制翼外形尺寸，舵机系统的结构，以及电机的选型进行初步设计，然后对系统进行计算和校核，在此基础上对整个系统进行风洞模拟试验，根据测试结果对系统设计改进。顺利情况下，往往需要3～5个轮次的设计、制造和测试结果对比分析，才能得出优化结果，每个轮次设计、加工和测试时间比较长，测试成本高，严重影响了飞行器舵机控制系统设计效率。为降低飞行器设计周期，提高工作效率，降低测试成本，研制了能够模拟风洞环境的舵机测试装置。

1 舵机测试的难点分析

1.1 位置锁定分析

由于潜航器和飞行器外形和尺寸形状各异 （一般大于20cm），重量较大（大于20kg），由于动力外形上的考虑，其外表一般呈圆柱形，往往不容易固定，若采用临时的固定方法，则不能保证其固定的牢靠性，测试过程中容易发生偏转或共振，影响测试精度，同时也难以保障其固定在完全水平的状态上，这也会影响测试的对称性。而由于其内部不是均质结构，重心一般情况下不在几何位置的中心，测试时不易保持稳定，一旦发生振动会导致其位置发生变化，因而经常影响测试结果，造成测试数据的偏差，从而影响潜航器或飞行器的舵机设计精度。

1.2 工作环境模拟分析

舵机工作环境模拟困难，测试成本高。潜航器和飞行器正常的工作状态在水中或空中进行，速度非常高（一般2倍于音速），其受到的阻力主要来自于水动力或空气阻力。潜航器或飞行器主要靠舵机来控制翼展的角度，从而达到改变飞行轨迹的目的，为测试舵机的控制效果，需要对翼展在受到的水动力或空气阻力的情况下，对舵机的控制效果进行测试，测试手段有三种：一是让潜航器或飞行器在水中或空中行进时，测试其舵机性能；二是在风洞中模拟其行进阻力，对舵机进行性能测试；三是通过地面模拟设备来进行测试。第一种方法能够完全再现其行进状态，但成本高，而且潜航器或飞行器的动作受到一定限制；第二种方法采用气动模拟试验方法，成本相对第一种方法低一些，测试范围和测试时间可以自由掌控，因考虑测试设备的成本问题，其测试时间和测试过程也受到限制。而第三种地面测试方法，因测试设备可重复使用，成本相当低，而且根据需要可以进行一些极限工况的测试工作。

1.3 多工况模拟需求分析

在地面条件下，模拟测试不同的工况面临很多的困难。潜航器在水中行进，飞行器在空中飞行时，由于翼展的转动角度不同，在舵片两侧将产生不同的水压或风压，在地面模拟测试的试验过程中，由于在地面设备上，需要根据不同的转角变化情况，使得外界环境对翼展产生不同的作用力，从而使得舵机能够克服因转角的变化而产生的动态作用力，完成对飞行器转变过程中的受力过程进行模拟。因地面设备在对翼展产生这种动态力量时方法较为困难，因些给舵机驱动性能测试带来困难，特别是应对在多种不同海洋或空中环境下的需求，采用地面模拟方法相有一定难度。

1.4 舵机和翼展传动机构的耦合效应

由于舵机控制机构所产生的扭矩较大，在水中和空中飞行时，有相应的阻力与其发生反作用，而在地面测试的过程中，由于缺乏相应的阻力作用，单向舵机控制动力很容易对测试机构产生联动耦合效果，从而发生运动耦合效应。根据舵机控制算法，在运动过程中，可能会产生较大的饱合控制力，当多次发生饱合控制量时，形成BANG-BANG控制，舵片和舵机系统很可能会发生较为强烈自激振荡过程，振荡与测试装置发生谐振后，对测试结果会有不利的影响，甚至损坏舵机设备和结构，从而影响测试的准确度。

2 舵机测试机构的设计

根据以上的舵机结构设计要求，潜航器或飞行器舵机测试机构要能够适用于相应的装备型号，在不同环境下多种工况和多种翼展形状的测试。如图1所示为对其中一种飞行器的翼展进行测试的技术方案图。该方案能够快速安装并完成对舵机装置在不同环境下，多种工况的测试工作，而且该测试机构具备拆装简便，测试力矩可调节，飞行器外框架结构固定稳定的特点。

图1 舵机测试机构示意图Fig.1 Rudder testing mechanism illustration

按照舵机测试机构的整体技术方案，可以将整个机构分为三大部分，即底座、前后固定器，锁紧装置，加载机构。

2.1 稳定的底座设计

舵机测试装置底座是所有零部件的载体，底座部分重量较大。对于潜航器或飞行器这种振动较大的部件测试试验，底座的重量需要能够满足设备固定要求，并且能够有效地抑制被测试部件与测试机构之间的共振。为了能够进一步衰减振动和固定牢固，在设计上还在底座上安装有地脚螺栓，在进行高频饱合力矩等极限测试工况条件下，可以将底座通过地脚螺栓固定在地面浇注的安装柱上，从而达到在高冲击条件下避免谐振的要求；底座上方设有连接孔，其上方的前后固定器通过这些孔与底座连接，也可以根据被测部件的不同，在安装孔上连接不同的前固定座；另外通过底座上的卡口与前后固定器配作连接，可以保障前后固定器能够将被测组件准确地固定在与地面平行的水平直线上，底座的设备如图1所示。

2.2 前后固定器设计

舵机测试装置的前后固定器如图1所示，固定器用于将飞行器固定在指定位置上，前后固定器上分别设有卡口，其外形尺寸与潜航器或飞行器端口配合，将舵机舱段部分置于前后固定器之间。固定器底部与底座通过螺栓连接，底座与固定器之间通过卡口定位。这样，舵机舱段就通过前后固定器与底座将飞行器稳定地固定在地面上。前后固定器的卡口与底面保证相当精度的距离，从而使得飞行器能够准确地保持水平状态，有利于提高舵机控制系统测试数据的准确性。前后固定器安装时，通过底座上的横向定位装置，将前后固定器的卡口在水平和垂直位置上对应起来，保证前后固定器卡口的同心度，避免飞行器在横向方向上受到固定螺栓预紧力的影响，产生预应力，从而能够有效地防止舵机舱段发生变形，不至于影响舵机舱段的安装精度，避免产生测试误差。

2.3 空气阻力扭矩模拟器设计

根据空气动力学原理，舵机受到的空气阻力与其截面面积在速度方向上的投影面积成正比，即：

其中F—舵片阻力；S—截面投影面积；V—速度；ρ—空气密度；C—阻力系数。

在转角15°范围内，投影面积与转角之间的关系可近似以计算公式（2），即投影面积与转角之间存在线性比例关系，可与公式（1）联立，即阻力与转角之间存在线性比例关系，而测试装置就是利用这个原理来模拟舵机装置在行时工况下的实际阻力，以及动态响应指标。

式中：S—截面投影面积；f—舵片面积；delta—舵片转角。

按以上公式原理，在潜航器或飞行器在一定速度下行进，即舵机的转矩为：

式中：M—阻力矩；F—空气阻力；b—舵片几何中心点。

与空气动力产生的阻力矩相平衡。因此，在设计阻力扭矩模拟器时，用弹簧来模拟空气阻力力矩，只需满足弹簧的阻力系数：

3 结束语

长期以来，潜航器和飞行器舵机的地面测试是总体设计的一个难点，由于涉及到电机、舵机结构、舵片空气动力学设计等多种因素，因而设计难度大，测试过程周期长，不恰当的设计将会影响到设计和试验工作。本文所提出的舵机测试机构，具有对舵机舱段固定稳定，空间定位准确，加载均匀，易于调整的特点。其结构简单可靠，测试精度高，测试周期短，成本低，易于操作。该装置已在多个舵机测试和研制过程中使用，取得了令人满意的效果，提高了研发效率，具有很好的实用价值。