Development of External Balances and Support Devices Based on Sonic Boom Measurement Test

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.023

Abstract

Abstract:

To study the sonic boom characteristics of aircraft in a supersonic flow field， a set of specialized external balance and support device was developed to meet the measurement requirements of aerodynamic loads. By adopting multi-component coupling series connection， setting a new type of hybrid Wheatstone measuring bridge， and conducting finite element method analyses and optimizations， two critical issues were resolved： the mismatch between force and moment loads caused by severe model center deviation from balance element centers in traditional external balances， and the interconnection and reliability issues stemming from inherent clearance and coupling effects in multi-linkage systems. The aerodynamic force component may be precisely measured by Wheatstone bridge's measuring mechanism during sonic boom measurement wind tunnel tests. The results show that the measurement results of the external balance are stable and reliable， and may effectively capture the changes in aerodynamic force， providing key data support for the measurement of sonic boom characteristics.

Key words: sonic boom, wind tunnel test, balance, support device

摘要：

为研究飞行器在超声速流场中的音爆特性，针对其气动力载荷的测量需求，研制了一套专用的外式天平及支撑装置，通过采用多部件耦合串联、设置新型混合式惠斯通测量电桥、开展有限元方法分析优化等手段，解决了“传统外式天平因模型压心严重偏离天平元件中心导致的天平力与力矩载荷不匹配”以及“多环节连接的固有间隙及耦合效应导致的联动及可靠性”问题，可在音爆测量风洞试验中通过惠斯通电桥的测量机理实现气动力分量的精确测量。结果表明，外式天平测量结果稳定可靠，能有效捕捉气动力变化，为音爆特性测量提供关键数据支撑。

关键词: 音爆, 风洞试验, 天平, 支撑装置

CLC Number:

V211.74

Wei JIA, Renhui TIAN, Jing LIU, Duowei WANG, Wenhua LIU. Development of External Balances and Support Devices Based on Sonic Boom Measurement Test[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(11): 2665-2669.

贾巍, 田仁慧, 刘靖, 汪多炜, 刘文华. 基于音爆测量试验的外式天平及支撑装置研制[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2665-2669.

Figures/Tables 8

Fig. 1 Structural schematic diagram of measuring device

Fig. 2 Schematic diagram of 5 component balance structure

Fig. 3 Schematic diagram of balance and support system

Fig. 4 Schematic diagram of mixed bridge road

Fig. 5 Analysis results of normal force and strain of balance

Fig. 6 Two-dimensional structure diagram of balance

Fig. 7 Schematic diagram of aerodynamic shape of LM1021 configuration

Tab. 1 Comparison of lift coefficient results between CFD and wind tunnel test

模型状态	马赫数Ma	攻角α/（°）	升力系数C_L
模型状态	马赫数Ma	攻角α/（°）	CFD	风洞试验
全机	1.6	2.3	0.1	0.095
	1.8	2.0	0.104	0.109
	2.0	1.5	0.064	0.052

References 16

[1]	RALLABHANDI S K， LOUBEAU A. Summary of Propagation Cases of the Second AIAA Sonic Boom Prediction Workshop［J］. Journal of Aircraft， 2019， 56（3）： 876-895.
[2]	黄江涛，张绎典，高正红，等. 基于流场/声爆耦合伴随方程的超声速公务机声爆优化［J］. 航空学报， 2019， 40（5）： 122505.
	HUANG Jiangtao， ZHANG Yidian， GAO Zhenghong， et al. Sonic Boom Optimization of Supersonic Jet Based on Flow/Sonic Boom Coupled Adjoint Equations［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（5）： 122505.
[3]	战培国，赵昕. 风洞发展现状及趋势研究［J］. 航空科学技术， 2010， 21（4）： 5-7.
	ZHAN Peiguo， ZHAO Xin. Wind Tunnels Development Status and Trends［J］. Aeronautical Science and Technology， 2010， 21（4）： 5-7.
[4]	KIM U， LEE D H， KIM Y B， et al. A Novel Six-axis Force/Torque Sensor for Robotic Applications［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2017， 22（3）： 1381-1391.
[5]	熊琳，宫建，王金印，等. 小直径杆式应变天平轴向力元件设计问题的探讨［J］. 实验流体力学， 2013， 27（5）： 75-78.
	XIONG Lin， GONG Jian， WANG Jinyin， et al. Discussion about Axial Force Element Design of Bending-beam Strain-gauge Balance with Small Diameter［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2013， 27（5）： 75-78.
[6]	史玉杰，陈竹，田正波. 横Π型梁在风洞应变天平阻力结构上的应用［J］. 实验流体力学， 2012， 26（4）： 83-86.
	SHI Yujie， CHEN Zhu， TIAN Zhengbo. The Application of Thwart Π Beam to Axial Force Structure of Wind Tunnel Strain Gauge Balance［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2012， 26（4）： 83-86.
[7]	刘玉福，孙正荣. 8m×6m风洞新型高精度外式天平研制［J］. 流体力学实验与测量， 1997（3）： 68-72.
	LIU Yufu， SUN Zhengrong. Development of a New-type High Precision External Balance for Cardc 8 m×6 m Wind Tunnel［J］. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics， 1997（3）： 68-72.
[8]	偶国富，叶健，章利特，等. 一种旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置的研制［J］. 中国机械工程， 2013， 24（13）： 1705-1709.
	Guofu OU， YE Jian， ZHANG Lite， et al. Development of a Rotary Test Apparatus for Liquid-Solid Two Phase Flow Erosion Wear［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（13）： 1705-1709.
[9]	贺德馨. 风洞天平［M］. 北京：国防工业出版社， 2001.
	HE Dexin. Wind Tunnel Balance［M］. Beijing： National Defense Industry Press， 2001.
[10]	于常安，王罗，何显中，等. 航空矢量喷管测试平台用六分量盒式天平结构设计［J］. 航空动力学报， 2016， 31（1）： 23-30.
	YU Chang'an， WANG Luo， HE Xianzhong， et al. Design on Structure of Six-component Box Balance for the Aero-engine Vector Nozzle Measuring Platform［J］. Journal of Aerospace Power， 2016， 31（1）： 23-30.
[11]	吴强，俞志伟，吉爱红，等. 一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计［J］. 中国机械工程， 2011， 22（11）： 1288-1293.
	WU Qiang， YU Zhiwei， JI Aihong， et al. Development of a Miniature Resistance Strain Three Dimensional Force Sensor［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（11）： 1288-1293.
[12]	赵子甲，王卫英. 用于旋翼试验台的双通道六分量天平设计［J］. 机械制造与自动化， 2023， 52（4）： 37-40.
	ZHAO Zijia， WANG Weiying. Design of Dual-channel Six-component Balance for Rotor Test Bed［J］. Machine Building & Automation， 2023， 52（4）： 37-40.
[13]	向光伟，王杰，史玉杰，等. 基于iSIGHT的风洞应变天平优化设计方法研究［J］. 实验流体力学， 2015， 29（5）： 45-49.
	XIANG Guangwei， WANG Jie， SHI Yujie， et al. Research on Optimal Design Method for Wind Tunnel Strain Gauge Balance Based on iSIGHT［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2015， 29（5）： 45-49.
[14]	刘中臣，钱战森，冷岩，等. 声爆近场空间压力风洞测量技术［J］. 航空学报， 2020， 41（4）： 123596.
	LIU Zhongchen， QIAN Zhansen， LENG Yan， et al. Wind Tunnel Measurement Techniques for Sonic Boom Near-field Pressure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（4）： 123596.
[15]	陈树生，顾奕然，杨华，等. 低声爆超声速客机声爆预测及不确定度量化分析［J］. 空气动力学学报， 2023， 41（4）： 41-51.
	CHEN Shusheng， GU Yiran， YANG Hua， et al. Sonic Boom Prediction and Uncertainly Quantification Analysis of a Low-boom Super-sonic Aircraft［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2023， 41（4）： 41-51.
[16]	杨洋，钱丰学，张长丰，等. 基于探针的声爆测量风洞试验技术研究［J］. 实验流体力学， 2023， 37（6）： 92-100.
	YANG Yang， QIAN Fengxue， ZHANG Changfeng， et al. Research on Wind Tunnel Test Technology of Sonic Boom Measurement Based on Probe［J］. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2023， 37（6）： 92-100.