a skin friction balance

8/8/2019 A Skin Friction Balance

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b

* 'A S K I N FRICTION BALANCE-

Eugene S. McVey'P r o f ess o rNon-Member A S E

James W. Moore'A s s o c i a t e P r o f e s s o rMember A H E

,

INTRODUCTION

T h e m e as ur em e nt o f i n - f l i g h t s k i n f r i c t i o n d r a g on h y p e r so n i c a er od y na m icb o d i e s r e q u i r e s t h a t m e asu re me nt i n s t r u m e n t s b e s u b j e c t e d t o e x t re m e e n v i r on m e n t a lc o n d i t i o n s .b e s u b j e c t e d t o a r a p i d l y c h a n g i n g t e m p e r a t u r e e n v ir o n m e nt w h ic h v a r i e s fro m afew d e g r e e s R a n k i n e (due t o l i q u i d h yd ro ge n l i ne s ) t o 2000F or more .f r i c t i o n meter i s e x pe c te d t o o p e r a t e i n a v e h i c l e t r a v e l i n g a t r e l a t i v e l y h i ghMach n u m b er s a nd a t a l t i t u d e s i n e x c e s s o f 100,000 f e e t .t h e v e h i c l e s k i n i s u s u a l l y a t a prem ium f o r m e as ur em e nt i n s t r u m e n t a t i o n so i ti s d e s i r e d t o k e e p p ac k ag e d i m e n s io n s near t h e s k i n t o two i n ch e s i n t h i c k n e s so r less.

I n a d d i t io n t o a s e v er e v i b r a t i o n f i e l d , a s k i n f r i c t i o n meter may

A s k i n

M o u n t i n g s p a c e n e a r

L i t t l e i n f o r m a t i o n i s a v a i l a b l e f r o m t h e l i t e r a t u r e t o g u id e t h e d e s ig no f a s k in f r i c t i o n meter f o r h i g h t e m p e r a t u r e e nv i r o n m e n t s, a l t h o u g h Kist lerI n s t r u m e n t I n c o r p o r at e d ' c l a i m o p e r a t i o n t o 1500'F f o r a s k i n f r i c t i o n metert h e y ha v e d e v e l o p ed . T h i s p e r fo r m a n ce i s o b t a i n e d by e n c l o s i n g t h e meter i na c o o l i n g j a c k e t t o o ve rco me t h e h i g h t e m p e r a t u r e p r o b l e m .i n fo r m a t io n i n d i c a t e s t h a t Kis t le r u s e s a c l o s e d l o o p n u l l b a l a n c e s y st em t om e a s u r e d r a g u n a s m a l l s e c t i o n o f s k i n w h i ch i s f r ee t o move p a r a l l e l t o t h es k i n s u r f a c e .dev e lo ped t o make measu remen t s on Arobee -Hi Ro cke t s .t h e y d e s c r i b e an open lo op sys t em which uses a f l e x u r e t o c o n s t r a in a t e s t segmento f t h e missi le s k i n . A l i n e a r v a r i a b l e d i r r e r e n t i a l t ra n s fo r m e r (LVDT) i s used

A v a i l a b l e

F e n t e r an d L yo n? h a v e r e p o r t e d on a s k i n f r i c t i o n m e t e rI n a c o m p r e h e ns i ve r e p o r t

"Both wi th t h e S c h o o l o f E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d S c i e n c e , U n i v e r s i t y o fV i r g i n i a , C h a r l o t t e s v i l l e , V i r g i n i a . T h e r e s e a r c h o n w h i c h t h i s p a p e r i s b a s e dw a s s u p g o r t e d by t h e F o r c e M e as ur em e n ts S e c t i o n o f t h e I n s t r u m e n t R e s e a r c hD i v i s i o n o f NASA, L a n g l e y , V i r g i n i a , 3 N4SA G r a n t N GR 47-005-026.

II

(NASA cn OR +NIX OR ~d NL'MBERI


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t o m ea& e f lexu2

3 d i s p l a c e m e n t and p r o v i d e a r e a d - o u t s i g n a l s i n c e d i s p l a c e m e n ti s p r o p o r t i o n a l t o f r i c t i o n d ra g.

A b a s i c s y s t e m i s d e s c r i b e d i n t h i s p a pe r wh ich o p e r a t e s s a t i s f a c t o r i l y a tr o o m t e m p e r a t u r e a n d i s b e l i e ve d t o b e c a p a b l e of o p e r a t i n g t o 2000F w i t h t h es u b s t i t u t i o n o f a few c r i t i c a l h i g h t e m p e r a tu r e c o mp on en ts .h a v e b e e n t a k e n t o 90 0 F on C om po ne nts d e v e l o p e d f o r h i g h t e m p e r a t u r e o p e r a t i o n ,and c o n t i n u o u s o p e r a t i o n o f t h e s e c om po ne nt s i n a 2 0 0 0 F e n v i ro n me n t i s a n t i c i p a t e dby s u b s t i t u t i n g s p e c i a l m a t e r i a l s i n the b a s i c c o n s t r u c t i o n .m o to r a r e l o c a t e d i n t h e h o t e nv ir od m en t w h i l e t h e a m p l i f i e r s e g m e n t o f t h ec o n t r o l l o o p i s p l a ce d i n a r e m o t e, c o ol l o c a t i o n . B a s i c t h e o r y an d lowt e m p e r a t u r e e x p er i m e n ta l r e su l t s H i l l be p r e s e n t e d h e r e e v en t ho u g h a h i g ht e m p e r a t u r e c a p a b i l i t y has b e en t h e m ain c o n c er n i n t h e g e n e r a l a p p r oa ch t ot h e p ro bl em and i n t h e d e s i g n b e ca u s e t h i s i n f o r m a t io n s h o ul d be o f v a l u e t oo t h e r s w o r ki ng i n t h e a r e a i n v iew o f t h e f a c t t h a t l i t t l e o r n o r e l a t e di n f o r m a t i o n i s a v a i l a b le i n t h e l i t e r a t u r e ,b e r e p o r t e d w hen t h e d a t a a r e c o m pl et e.

P r e l i m i n a r y d a t a

T h e s e n s o r a n d

H i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c e w i l l

SYSTEbl OPERATION AN D ANALYSIS

A c l o s e d l o o p s y s te m c o n f i g u r a t i o n w a s w h i ch w o r k s on a n u l lb a l a n c e p r i n c i p l e . T he s y st em i s shown s c h e m a t i c a l l y i n F i g . 1 and i t s b l o c k

i s p r e s e n t t h ei a g r a m i s c o n t a i n ed i n F ig . 2.f l e x u r e i s d i s p l a c e d . T h e d i s p l a c e m e n t i s s e n s e d b y a t r a n s d u c e r ( e . g . an LVDTf o r t r a n s l a t i o n a l m o ti o n) i vhich h a s an o u tp u t v o l t a g e p r o p o r t i o n a l t o di s pl a ce m e n tT h e s e n s o r o u t p u t i s a m p l i f i e d and used t o d r i v e a m ot or w hi ch p r o d u ce s a f o r c ei n o p p o s i t i o n t o t h e s k i n f r i c t i o n f o r c e .a n d r e c o r d e d b e c a u s e i t i s p r o p o r t i o n a l t o m oto r f o r c e .t h e m e as ur em e nt s c a n b e made e s s e n t i a l l y i n d e p en d e n t o f b o t h t h e m ot or f l e x u r ec o n s t a n t and c h a n ge s i n s y s te m g a i n d u e t o o t h e r p a r a m e t e r c h a n ge s as w i l l bed e m o n s t r a t e d .

FXWhen a s k i n f r i c t i o n f o r c e ,

M oto r a r m a t u r e c u r r e n t i s measuredW i t h p r o p e r d e s i g n

T he l i n e a r d i f f e r e n t i a l e qu a t io n f o r t h e f l e x u r e and i t s a s s o c i a t e di n e r t i a i s ..d F + CFm -X K f e = J8 (1 )w h e r e : F i s s k i n f r i c t i o n d r a g ;X

K i s t h e f l e x u r e c o n s t a n t ;J i s t h e r o t a t i o n a l i n e r t i a o f a l l moving p a r t s ;d i s t h e d i s t a n c e f r o m t h e t a n ge n t t o t h e f l exure ;C i s t h e d i s t a n c e from t h e s e r v o mo to r t o t h e f l e x u r e ;

f


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38 i s flexure d i s p l a c e m e n t a n g l e .K i s t h e m o to r g a i n c o n s t a n tm

I t f o l l o w s t h a t

T h e m o to r f o r c e i sF m = K im a

w h e r e Km i s t h e m o to r f o r c e c o n s t a n t . T h e m o to r a rm a t u r e v o l t a g e is

ea = i a R a + Kv4e

(2 )

(3)

f o r s m a l l d e f l e c t i o n a n g l e s and n e g l i g i b l e a r m a t u r e i n du c ta n ce .a r e v e r y g ood h e r e ,,0005 r a d i a n o r less. T h e d i s t a n c e from t h e flexure t o t h e m otor is 4, an d t h e m o t orb a c k emf c o n s t a n t i s Kv , an d B

B o t h a s s u m p t i o n sFor e x am p le , t h e t o t a l m ot or d e f l e c t i o n i s e x pe c t ed t o b e

i s t h e a r m at u r e c i r c u i t r e s i s t a n c e . From Eq. ( 4 )ae a ( s ) - 4Kvs8(s)

i ( S I = (5)a RaT he a r m a t u r e v o l t a g e w i l l b e t h e o u t p u t of t h e s e n s or m u l t i p l i e d by t h e g a ino f t h e a m p l i f i e r , Ka.c o n s t a n t K s t h e t r a n s d u ce r o u t p u t i s 4,K 0.180' p h a s e s h i f t so t h a t t h e s y s te m w i l l h a v e n e g a t i v e f e e d b a c k .

For a t r a n s l a t i o n a l t y p e t r an s d u c e r w i t h s e n s i t i v i t yT h e a m p l i f i e r m us t i n t r o d u c e aS T h u s

( 6 )= - K s 4 8K aaFrom Fig. 2 t h e c l o s ed l o o p t r a n s f e r f u n c t i o n i n terms o f d r a g f o r c e and

m o t o r a r m a t u r e c u r r e n t-JIZ,

i t y ) i s

J R a J R aTo d e m o n s t r a t e the r e l a t i o n s h i p between t h e d r a g force and t h e m o to r


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4c u r r e n t i n t h e s t e a d y s t a t e , assum e t h a t a s t e p o f f o r c e Fx/s i s a p pl ie d t o t h es y s t e m . I n t h e s t e a d y s t a t e

b y t h e f i n a l v a l u e th eo re m. I f

Eq. ( 8 ) may be w r i t t e nd4

- Fx -Km

_ _ - -a,ssRom Eq. (3) h e v a l u e o f K m i r may b e i n s e r t e d t o show t h a t

dFm = -F -x . c

(10)

(11)

T h us , b y ma kin g t h e a m p l i f i e r g a i n c o n s t a n t K a s u f f i c i e n t l y l a r g e t h e m oto rf o r c e n u l l s o u t t h e a p p l i e d f o r c e and t h e m oto r c u r r e n t i s a d i r e c t i n d i c a t i o no f drag f o r c e .

From Eq. ( 8 ) and Eq. ( 9 ) i t i s a p p a r e n t t h a t c h a n ge s i n s y s te m g a i na nd c h a n g e s i n t h e flexure c o n s t a n t K s d o n o t a f f e c t s y st em a cc u r a c y i f t h ei n e q u a l i t y o f Eq. ( 9 ) i s s a t i s f i e d . Thus, i t i s d e s i r a b l e t o make t h e a m p l i f i e rg a i n , K a , r e l a t i v e l y l a r g e c o n s i s t e n t w i t h s ys te m s t a b i l i t y .r e s u l t s h a ve d em o ns tr at ed t h a t Kr e l a t i o n s h i p o f Eq. ( 9 ) v a l i d i f s t a b i l i t y c o m p e n s a t i o n i s added .

E x p e r i m e n t a lc a n b e made s u f f i c i e n t l y l a r g e t o make t h ea

T he g r e a t e s t s o u r c e s o f error a t h i g h t e m p e r a t ur e s i s a n t i c i p a t e dt o be d u e t o v a r i a t i o n o f t h e m o t o r force c o n s t a n t Kz e r o p o s i t i o n .a ss em b ly h a ve b e e n d e si g n ed t o m i n im iz e e r r o r s d u e t o t h e r m a l e f f e c t s .t y p e c o n s t r u c t i o n h a s b ee n u se d t o a v o i d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t m a g n e t i c m a t e r i 91s

and t h e p o s i t i o n s e ns o rmT he h i g h t e m p e r a t u r e model m o to r , p o s i t i o n t r a n s d u c e r and f l e x u r eA i r c o r e


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5and t o make Kmand K s i n d e p e n d e n t of t e m p e r a t u r e e x c e p t f o r d i m e n s i o n a l s t a b i l i t yp r o b l e m s .t e m p e r a t u r e i n s t e a d o f a p er m an en t magne t f i e l d a s i n t h e low t e m p e r a t u r emodel.

T h i s m eans t h a t a n el e c t r o m a g n e t i -c m o t o r f i e l d m u s t be u se d a t h i g h

I n o r d e r t o a s s u r e o p e r a ti o n o f t h e system i n t h e am h ie nt v i b r a t i o n anda c c e l e r a t i o n f i e l d as well a s o p e r a t i o n o v e r a w id e t e m p e r d t u r e r a n g e , i t i sn e c e s sa r y t o p ay p a r t i c u l a r a t t e n t i o n t o t h e f orm o f p i v o t s used f o r t h e movingp a r t s . T he p i v o t s must h o ld t h e p a r t s c o m pl e t e l y r i g i d a g a i n s t a l l m ot io n ,e x c e p t f o r r o t a t i o n a b ou t t h e m easu re me nt axis. To s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t sof t h e c o n t r o l s y s t e m , b a c k la s h , s t i c t ion a n d h y s t e r e s i s mus t b e z e r o o r v e r y s m a l l .I t w ou ld b e p r e f e r a b l e i f t h e p i v o t e x e r te d no r o t a t i o n a l f o r c e s o f i t s own, sucha s t h e s p r i n g c o n s ta n t K f Eq. (1) f f , used i n d e r i v i n g t h e c o n t r o l e q u at i on s .

T he p r e c e d i n g r e qu i re m e n ts i n d i ca t e d t h a t t h e b e s t p i v o t w ouldp r ob a bl y b e e i t h e r an a i r b e a r i n g o r a f l e x u r a l p i v o t b ea r in g .c ho se n f o r i n i t i a l s tu d y b e ca u se i t i s s e l f - c o n t a i n e d and b e c a u s e o f i t s h i g hr i g i d i t y a bo ut t h e n o n - r o ta t i on a l a xe s. To meet t e m p e r a t u r e r e q u i r e m e n t s , i t i sn e c e s s a r y t o u s e m a t e r i a l s w hich h av e h i gh s t r e n g t h a t 2000' F a nd which a r e n o tb r i t t l e a t e x t r e m e l y low t e m p e r a t u r e s .Ha y n e s A l lo y 25 a s t h e f l e x u r e m em bers.

The l a t t e r was

I n i t i a l s t u d i e s are b e i n g m a d e u s i n g

T h e extremely small f o r c e s t o be m eas ur ed r e q u i r e t h a t t h e s p r i ngc o n s t a n t o f t h e f l e x u r e b e v er y small r e l a t i v e t o t h e c o n t r o l l oo p g a in asshown by Eq. ( 91 ,i n F i g . 3a, By a d j u s tm e n t o f t h e t e n s i o n i n t h e f l e x u r e s t h e r o t a t i o n a l s p r i n gc o n s t a n t c a n be made p o s i t i v e , n e g a t iv e o r z er o.

T h e r e f or e a t h r e e member f l e x u r e w i l l b e u s e d as diagrammed

T he en v i ro nm e nt al f o r c e f i e l d i n c l u de s bo t h t r a n s l a t i o n a l and r o t a t i o n a lv i b r a t i o n s and t r a n s l a t i o n a l and r o t a t i o n a l a c c e l e r a t i o n s , I n o r d e r f o r t h e c o n t r o ls y s te m m o t or t o n o t n ee d t o o v er co m e t h e e f f e c t s o f t h i s f i e l d , t h e moving membersa r e t o u n t e r b a l an c e d R S shown i n Fig. 3b.c o u n t e r b a l a n c e d a b o u t t h e i r own axis.f l e x u r e s y s t e m so t h a t t h e y t e n d t o r o t a t e i n o p p o s i t e d i r e c t i o n s when ana n g u l a r a c c e l e r a t i o n i s a p p l i e d t o the i r common base .and r o t a t i o n a l i n e r t i a e f f e c t s a r e c a n c e l l ed .

T h e t w o r o t a t i n g members are e a c hT hey a r e t h e n c o u p le d t o g e t h e r by a

T h u q b o th t r a n s l a t i o n a l


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.6EXPERIMENTAL RESULTS

An e x p e r i m e n t a l m o de l w as b u i l t a nd t e s t e d a t r o o m t e m p e r a t u r e s . AC o l l i n s M a n u f a c t u r i n g C o . LVDT 55-203w i t h a s e n s i t i v i t y o f 1 v o l t p e r m i lw as u s e d t o m e a s u r e f l e x u r e d is p l a c e m e n t . A B e n d ix , I n c . f l e x u r e M odel No.6016-800 w as u se d ( t h e e x p e r i m e n t a l system w a s n o t c o u n t e r b a l a n c e d ) as t h ep i v o t .of A l n i c o V m oun ted on t h e s t i n g f o r t h e f i e l d and 2000 t u r n s o f No. 30wire wound i n a c o i l 1.5 i n c h e s l o n g t o form t h e a rm a t u r e o f a s o l e n o i dm o t o r .u se d t o o b t a i n a m p l i f i c a t i o n an d m oto r d r i v e ,

T h e m o t o r c o n s i s t e d o f a 0 , 12 5 i n c h d i a m e t e r , 1.0 j n c h l o n g p i e c e

A n o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r f o ll o w ed by a u n i t y g a i n pow er a m p l i f i e r wasThe system p a r a m e t e r s are:

K a = 100 v/v K v = n e g l i g i b l e

K m = 43 lb/amp Ba = 99 ohmsK = 0.5 v / m i lS

= 0.8 i n . l b , / r a dKf

a f t l b s e sJ = 5.8 X 10.c = 3.3 mJ

U n co m pe ns at ed o pe n l o o p f r e q u e n c y r e s p o n s e d a t a a r e sh ow n i n F i g . 4.As c a n b e seen f ro m t h e p l o t , t h e open l o o p g a i n c o n s t a n t i s 2 2 5 , a v a l u ewh ic h is h i g h enough t o a l l o w r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s i n eny s y st em p a ra m e te re x c e p t Km w i th o ut a f f e c t i n g c a l i b r a t i o n more t h a n a f r a c t i o n o f a p e r c e n t .e x a m p l e , t h e f lexure c o n s t a n t v a r i e d 5 p e r c e n t w h e n h e a t e d t o 500' F.c ha ng e had n e g l i g i b l e e f f e c t o n t h e f o r c e r e a d i n g .

ForT h i s

T h e m e c h a n i c a l r e s o n a n c e m a ke s i t n e c e s sa r y t o u s e l a g c o m pe ns at io n i ns uc h a m an ne r t h a t t h e r e s o n a n t p ea k f r e q u e n c y i s n Q l l a bo ve t h e c r o s s o v e rf r e q u e n c y .n o t i m p o r t a n t .

LGg co m pe nsa tio n was used i s t h i s c a s e b e c a u se s p e ed of r e s p o n s e was

A l i n e a r i t y c u rv e i s shown i n F ig . 5. I t i s a p p ar e n t t h a t t h e s ys te mi s l i n e a r t o w i t h in 1 p e r c e n t ,1 p e r c e n t a t r o o m t e m p e r a t u r e ,

The r e p e a t a b i l i t y was a l s o f ou nd t o b e w i t h i n


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REFERENCES1. Kistler , Inc., " S i n Frict ion Drag Sensor," F i le s of Force MeasurementsGroup, I n s t r u m e n t Research D i v i s i o n , NASA, Langley Field, Virginia,2. Fenter and L y o n s , "The Direct Measurement of Local S k i n Frict ion onAerobee-Hi Rockets i n Free Flight ," DRL-391, CM-877 Defense ResearchLaboratory, University o f Texas, Texas, 1957.3. Seemuller, W . W., "The Design of a Skin Friction Meter for Use i n ExtremeEnvironmental Conditions, IS Thesis, University of Virginia, 1966.4. Moore, J. W . and E. S. McVey, "Investigation of Systems and Techniquesf o r Multicomponent Microforce Measurements on Wind Tunnel Models,"Semiannual Status Report EME-4029-102-66U, March, 1966.


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A i r Flowt

/L- Ramje t Skin1- M o t o r

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F l e x u r e1

\L F l o a t i n g E le m e n t( t a r g e t 1DisplacementTransducer

C o n t r o lE Iement s

Fig. I


9/12

Fig. 2


10/12

MovingMernber

FlexurPivot

F l e x u r e s

\ b >C.W.?

c.w. C.W.i A

Fig. 30

.FIex uralPivo t

Fig. 3 b


11/12

,.

lo3

I O 2

I O

0

b

-

225

IIO-' I I IO5.4FREQUENCY - H r I O

Fig. 4


12/12

6

5

43

APPLIED FORCE - GRAMS

Fig. 5

a skin friction balance

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