空气动力天平，又称风洞天平，是风洞中用以测量气流作用在模型上的空气动力和力矩的测量设备。
它能将空气动力和力矩沿 3个相互垂直的坐标轴系分解并进行精确测量。风洞天平按测力的性质分为静态测力天平和动态测力天平两类，分别测量定常飞行和非定常飞行时模型所受到的空气动力。静态测力天平有内式和外式等多种形式，按结构和测量原理分为机械式、应变式、压电式和磁悬挂等形式。机械式天平主要用于低速风洞，常见有张线式和硬架式两种。
中文名
空气动力天平
外文名
aerodynamical balance
应用学科
空气动力学
又称
风洞天平
分类
静态测力天平和动态测力天平
应用领域
风洞试验
空气动力天平，又称风洞天平，是测量风洞中作用在模型上的空气动力和力矩的设备。它能将空气动力和力矩沿 3个相互垂直的坐标轴系分解并进行精确测量。风洞天平按测力的性质分为静态测力天平和动态测力天平两类，分别测量定常飞行和非定常飞行时模型所受到的空气动力。静态测力天平有内式和外式等多种形式，按结构和测量原理分为机械式、应变式、压电式和磁悬挂等形式。机械式天平主要用于低速风洞，常见有张线式和硬架式两种。
风洞是一种特殊的基础设施，国内外从事该行业的机构和人员较少。但是由于空气动力学关系着国家飞行器的发展，国际上欧美等发达国家都有自己的风洞，用于研究先进飞行器的气动特性，也有各自的风洞天平以及相应的天平信息管理方式，但是由于先进飞行器研究关系着国家的命运，肯定存在着技术保密等情况，相关天平的一些信息不可能公开，我们无法获知国外风洞天平信息管理的情况。
国内从事风洞天平研究的机构不多，主要从事天平技术研究的机构除气动中心外，还有中国航空工业空气动力研究院(哈尔滨627和沈阳626所)、中国航天空气动力技术研究院(北京701所)，目前均未对天平的信息进行自动化管理，还停留在纸质化管理阶段。[1]
风洞模型试验是航空航天飞行器研制过程中了解飞行器性能、降低飞行器研制风险和成本的重要手段之一，风洞天平则是直接感应和测量作用在模型六个自由度上气动力和力矩的高精度测量装置。风洞天平技术涉及天平材料、结构设计分析、加工制造技术、应变传感器技术和天平校准技术等。通常，天平校准可细分为静态校准和动态校准，静态校准是依据天平校准原理，利用天平校准装置，按照一定的校准方法，建立天平测量信号与所受气动载荷关系的过程，即获取天平公式和天平其他性能参数的过程。动态校准则是在静态校准的基础上，利用标模，在风洞中进一步校验天平性能的过程。由于风洞天平静校决定天平校准的效率和天平公式的准确性，关系到天平未来应用中模型气动数据测量的精准度，所以天平静校被认为是天平设计过程中最重要的环节。
风洞天平是一种能感应和测量试验模型上所受载荷的传感测量装置。风洞天平在结构上设计有感应特定载荷作用下产生应变的结构弹性元，如升力元、阻力元等。在这些结构弹性元上，粘贴有电阻应变片并组成惠斯登电桥，每个电桥都主要针对一个自由度上的载荷，根据各电桥的电信号输出可以计算得到作用在试验模型上的气动力和力矩。这种风洞天平测量的基本原理产生于20世纪40年代，至今没有改变。近年来，已有光纤应变片在风洞天平上进行应用研究。
由于作用在风洞模型六个自由度上的气动载荷大小差别较大，尽管现代天平在结构设计时，利用计算机，采用了有限元分析、优化等先进设计技术，充分考虑天平各结构弹性元对其他载荷的抗干扰性，但由于天平空间尺度相对较小、结构复杂，各结构弹性元间的载荷或多或少都存在着干扰。因此必需通过天平校准来建立精确的天平公式，确定天平的精准度和不确定度等性能参数。
天平校准是一个设定自变量(施加的载荷)，测量因变量(天平的输出响应)的过程，校准数学模型是基于一个多项式方程，其中，天平的输出响应看成是自变量的函数。
根据AIAA发布的“风洞试验天平使用和校准推荐做法”报告，在天平校准中，该数学模型一般都取到二次项，但在有些情况下，需要增加纯三次项。例如，在美国NASA兰利研究中心，天平校准采用取到二次项的做法;在欧洲ETW风洞，天平校准则采用增加纯三次项的做法。因此，对于一个六分量天平，校准模型取到二次项就有27个系数需要确定，如增加纯三次项，就有33个系数需要确定。
天平校准及校准误差评估在一定的载荷范围内进行，通常是在天平设计的正和负满量程范围内确定校准施加的载荷，所有的这些校准载荷组合在一起，就构成了一个校准载荷表，校准载荷表的设计涉及天平校准的效率、精准度和数据分析方法等，校准载荷表及加载方法均是国外天平校准技术研究的重要内容。[2]
从20世纪40年代开始，风洞天平校准从使用单分量人工加载天平校准台发展到六分量自动天平校准机，逐步形成了当今风洞天平校准普遍采用的硬件装置和逻辑方法。为了满足高性能航空航天飞行器研制对风洞试验精细化提出的更高要求，随着科技的发展，国外对风洞天平校准技术已有新的认识和发展。
德国TUD大学在为欧洲跨声速风洞(ETW)设计制造的自动天平校准机基础上，于2007年为本校风洞设备设计制造了第二代自动天平校准机。该机优化了框架的质量和刚度分布，扩展了校准载荷范围，使校准机内部结构变形最小化。同时，通过采用压力控制器和高品质数据采集系统，化了校准机的校准载荷发生器系统。通过改进降低了自动天平校准机的制造成本。
NASA兰利研究中心对单矢量人工祛码加载天平校准台也计划做进一步的完善工作。例如，硬件系统完善包括更高的校准载荷加载范围;自动化方面的完善包括非测量端定位、载荷点定位和校准载荷施加;为研究新校准方法，增加温度和压力干扰因素模拟手段等。
天平校准装置中各环节的误差将传导到天平校准结果中，为此，美、欧都开展了对天平校准设备的不确定度评估分析研究工作，确定了各自拥有校准设备的误差源和不确定度。美国NASA兰利研究中心的研究认为:在标准的校准应用中，需要自动校准机与简化的人工校准二者相结合，这样校准将更加有效可靠。
MDOE是美国NASA兰利研究中心为改进航空航天研究的质量和提高生产率而倡导的一种科学试验方法，它是实验设计、执行和分析的集成。MDOE方法已成功运用于兰利中心的许多学科领域，其中包括风洞试验和天平校准。
美国NASA兰利研究中心针对其单矢量天平校准台，完成了MDOE方法所需的软件和技术研究，发展了二阶和三阶校准实验设计方法。通过新集成的硬件系统和MDOE方法应用，优化天平校准过程。
DNW(德/荷风洞联合体)仪器仪表和控制部的科研人员在六分量自动天平校准机上，开展了基于MDOE的天平校准方法与传统OFA7校准方法的对比研究。在天平校准研究中，用传统OFAT方法完成一台六分量天平校准，加载矩阵用了734个点;应用MDOE方法，加载矩阵点减少到103个点，加载按随机和有序两种方式实施。研究结果表明:传统OFA7校准需要的加载量是MDOE方法的7倍;从校准精度看，似乎传统的方法较好，二者差异在天平满量程的0.01%量级，均满足天平的校准精度要求;校准点和验证点结果比较，MDOE方法的准度较好。在天平校准中还有很多环节可以应用MDOE方法，这也是DNW后续研究和努力的方向，DNW的目标是使MDOE天平校准方法成为一种成熟可靠的标准天平校准方法。
校准载荷表的设计直接影响校准的效率和校准的精准度。因此，针对所用的校准设备，构建最有效的校准载荷表是天平校准技术研究的重要内容。近年来，DNW仪器仪表和控制部开展了这方面的研究，对比分析了三种校准载荷表:一是OFAT校准载荷表，即:固定天平其他元载荷，每次只变化一个校准元，其最大的缺点就是需要的加载校准点多，校准天平各元的组合变化多;二是单矢量校准载荷表，这是美国NASA兰利中心使用单矢量校准台校准天平所采用的;三是设计优化校准载荷表，这是DNW研究的利用计算机自动生成校准载荷表，目的是使校准系数的方差最小化和使各元载荷共线性最小化，以便获得最大的校准效率和最优的校准精准度。
参考资料
1.史玉杰. 中国空气动力研究与发展中心高速风洞天平信息管理系统设计与实现[D]. 电子科技大学, 2013.
2.田力伟. 风洞天平采集校准系统[D]. 西北工业大学, 2003.
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