一种全模颤振风洞试验索张力调节装置

1.本发明涉及一种飞机风洞试验索张力调节装置，具体是一种模型姿态调整时所受索张力基本保持不变的全模颤振风洞试验索张力调节装置。

背景技术：

2.随着航空航天技术的发展，吸气式高超声速、变构型、跨域、跨介质等新构型飞行器成为学术以及工程研制部门的研究热点，飞行器新构型的发展使得部件、子系统之间的相互影响越来越复杂，气动弹性上可能出现翼-舵-机身耦合模态的发散，有必要通过全模风洞试验试验研究飞行器整机耦合颤振特性。
3.开展全模颤振试验，需要为模型设计专门的支撑系统，一方面需要有较低的支撑频率，模拟飞行器自由飞行状态，即将模型悬吊后，模型在沉浮、俯仰、侧摆、滚转和偏航等五个自由度上的振动频率都足够低，以使风洞模拟的飞行器模型动特性能足够接近在空中飞行时的动特性，对模拟自由飞行状态要求而言，要求支撑系统越软越好。另一方面，在吹风试验中需要利用支撑系统控制实现模型调整，确保模型受到的气动静载荷最小，并在来流动压变化情况下，保证模型姿态稳定。对姿态控制而言，则要求支撑系统越硬越好。仅实现上述两种功能中的一种并不困难，而综合两种功能的需求，需要设计的支撑系统的张力调节机构，保证模型姿态稳定，并保持较低的支撑频率，不会因模型姿态调整引起的张力变化而受到影响。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种全模颤振风洞试验索张力调节装置。
5.为了实现上述目的，本发明提出了一种全模颤振风洞试验索张力调节装置，用于为弯刀控制的悬索支撑系统提供张力调节，所述装置安装在弯刀上，包括依次连接的连杆机构、碟簧张紧机构和驱动系统，其中碟簧张紧机构和驱动系统均安装在旋转架上，连杆机构的前端与悬索支撑系统的两个主索分别相连；所述驱动系统为碟簧张紧机构的碟簧提供压力，该压力通过连杆机构传递到主索，控制主索的张紧力大小。
6.作为上述装置的一种改进，所述碟簧张紧机构包括两套结构相同的分支，每套分支包括主连杆、直线轴承、可调碟簧挡块、碟簧、碟簧预紧螺母及碟簧挡块拉杆；连杆后摆杆两端分别连接一条主连杆，主连杆上依次套接直线轴承、可调碟簧挡块和碟簧，直线轴承固定在旋转架上。
7.作为上述装置的一种改进，所述可调碟簧挡块与直线轨道滑块通过碟簧挡块拉杆相连，主连杆、直线轴承、碟簧、可调碟簧挡块、直线轨道滑块的轴线及其运动约束在同一条直线上。
8.作为上述装置的一种改进，所述驱动系统包括两套结构相同的分支，每套分支均包括动力源以及杠杆机构，其中，
9.所述动力源包括张力调节电动缸和旋转架角度调节电动缸；
10.所述杠杆机构包括张力调节电动缸推杆导轨、张力调节电动缸推杆、张力调节电动缸杠杆、直线轨道滑块和杠杆支点；张力调节电动缸推杆可在其导轨内运动，张力调节电动缸推杆的末端与张力调节电动缸杠杆的动力点铰接，张力调节电动缸杠杆的阻力点与直线轨道滑块内部转子可相对轴向滑动，内部转子可相对滑块转动，杠杆支点固定在旋转架上，张力调节电动缸杠杆可相对内部转子轴向滑动，转子与支点铰接。
11.作为上述装置的一种改进，通过张力调节电动缸推杆推动张力调节电动缸杠杆绕杠杆支点摆动，带动直线轨道滑块沿张力调节电动缸推杆导轨滑动，从而带动可调碟簧挡块前后运动，碟簧预紧螺母与可调碟簧挡块压紧碟簧，拉紧主连杆，向主索提供预紧力。
12.作为上述装置的一种改进，所述装置通过法兰盘安装在弯刀上。
13.作为上述装置的一种改进，所述旋转架角度调节电动缸推动电动缸推杆受力点与法兰盘所在的连接结构相连构成三角结构，使旋转架可绕法兰盘旋转且具有稳定性。
14.作为上述装置的一种改进，弯刀转动角度θw与主索转动角度θ满足下式：
[0015][0016]
其中，f是主索前固定点到弯刀旋心的距离，rw为弯刀旋转半径；
[0017]
主索补偿量dc满足下式：
[0018][0019]
张力调节电动缸推杆的位移d为：
[0020][0021]
其中，m1为杠杆支点到直线轨道滑块的水平距离，m2为直线轨道滑块到张力调节电动缸推杆的水平距离；
[0022]
弯刀法兰轴线与主索的夹角δθ与旋转架角度调节电动缸推程bw满足下式：
[0023][0024]
其中，c为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与弯刀连接处点的距离，a为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的底座与旋转架连接点的距离；
[0025]
γ为两条线段夹角的初始角度，其中一条线段为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与弯刀连接处点的连线，另一条线段为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与旋转架连接点的连线，满足下式：
[0026][0027]
弯刀法兰轴线与主索的夹角δθ为：
[0028][0029]
作为上述装置的一种改进，所述张力调节电动缸底座固定在旋转架上。
[0030]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0031]
1、本发明提出的弯刀控制的悬索支撑系统，其张力调节装置是一种全新的调节装置，使主索张力不受飞行器模型姿态调节引起的索长度的变化而变化；
[0032]
2、本发明的张力调节装置的阻尼在支撑系统之外，不影响支撑系统的支撑频率。
附图说明
[0033]
图1是张力调节装置正视图；
[0034]
图2是张力调节装置俯视图；
[0035]
图3(a)是旋转架正视图；
[0036]
图3(b)是旋转架正三轴测图；
[0037]
图4是张力调节电动缸、旋转架角度调节电动缸及主索张力调节杠杆组装的正视图；
[0038]
图5是主索张力调节装置碟簧挡块调整机构三维模型正三轴测图；
[0039]
图6是主索张力调节装置碟簧挡块调整机构三维模型，其中图6(a)是正视图、图6(b)是俯视图，图6(c)是正三轴测图；
[0040]
图7是主索张力调节装置碟簧张紧机构装配三维模型；
[0041]
图8(a)是弯刀控制fss子系统三维模型，其中图8(a)是正视图，图8(b)是正三轴测图；
[0042]
图9是飞行器模型俯仰姿态调整原理图；
[0043]
图10是弯刀角度与模型俯仰角关系图；
[0044]
图11是弯刀弧度与主索张力调节电动缸推程(m)关系图；
[0045]
图12是弯刀角度与旋转架角度调节电动缸长度关系图；
[0046]
图13是弯刀角度变化在是否施加张力调节工况下其对主索张力的影响。
[0047]
附图标记
[0048]
1、主连杆
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2、直线轴承
[0049]
3、可调碟簧挡块
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4、碟簧
[0050]
5、法兰盘
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6、张力调节电动缸
[0051]
7、张力调节电动缸推杆导轨
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8、张力调节电动缸推杆
[0052]
9、张力调节电动缸杠杆
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10、直线轨道及其滑块
[0053]
11、杠杆支点
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12、旋转架角度调节电动缸
[0054]
13、碟簧预紧螺母
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14、碟簧挡块拉杆
[0055]
15、主索
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16、旋转架
[0056]
17、张力调节电动缸底座
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18、张力调节装置
[0057]
19、主索前连接点
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20、模型段飞行器模型
[0058]
21、弯刀(旋心在飞行器模型质心处)
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22、连杆后摆杆
[0059]
23、连杆前摆杆
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24、摆杆连杆
[0060]
25、碟簧张紧机构
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26、驱动系统
[0061]
27、连杆机构
具体实施方式
[0062]
本发明涉及一种飞机风洞试验索张力调节装置，在风洞中模型姿态调整时，索长度的变化会使张力增加或减小，索张力的变化会导致系统支撑频率的变化，严重者会使模型失稳，造成重大损失，发生事故。因此，在模型姿态调整时索张力的实时调整可以保证支撑系统的支撑频率，从而达到模拟飞行器自由飞行状态，即将模型悬吊后，模型在沉浮、俯仰、侧摆、滚转和偏航等五个自由度上的振动频率都基本保持不变，以使风洞模拟的飞行器模型动特性能足够接近在空中飞行时的动特性。
[0063]
本发明涉及一种飞机风洞试验索张力调节装置，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：张力调节装置如图1所示，两条主连杆1、两套直线轴承2、两个可调碟簧挡块3、碟簧4、法兰盘5、张力调节电动缸6、张力调节电动缸推杆导轨7、张力调节电动缸推杆8、张力调节电动缸杠杆9、直线轨道滑块10、杠杆支点11、旋转架角度调节电动缸12、碟簧预紧螺母13、碟簧挡块拉杆14、钢索15、旋转架16、张力调节电动缸底座17等组成。
[0064]
如图2所示，旋转架前方安装有主连杆1及其直线轴承2，主连杆穿过直线轴承，直线轴承固定在旋转架16上，主连杆穿过碟簧4，通过碟簧预紧螺母13与可调碟簧挡块3可压紧碟簧，拉紧主连杆，提供预紧力。可调碟簧挡块通过碟簧挡块拉杆14与直线轨道滑块连接，因此直线轨道滑块移动可带动可调碟簧挡块3移动，从而调整碟簧4的压紧限定位置，达到张紧力可调的目的。
[0065]
张力调节电动缸底座17固定在旋转架16上，张力调节电动缸推杆7提供推力，推杆在固定在旋转架上的轨道内运动，用来抵消推杆的径向力，使其电动缸只受轴向载荷，直线轨道滑块由张力调节电动缸杠杆推动，杠杆支点11固定在旋转架上，且直线导轨滑块所在的轨道也与旋转架固连，使连杆、直线轴承、碟簧、可调碟簧挡块、直线导轨滑块的轴线及其运动范围在一条直线上。
[0066]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
[0067]
实施例
[0068]
如图1所示，本发明的实施例提出了一种全模颤振风洞试验索张力调节装置，用于为弯刀控制的悬索支撑系统提供张力调节，该装置包括依次连接的连杆机构27、碟簧张紧机构25和驱动系统26，其中碟簧张紧机构和驱动系统安装在旋转架上，连杆机构27的前端与悬索支撑系统的两个主索分别相连，所述装置安装在弯刀21上；所述驱动系统为碟簧张紧机构的碟簧提供压力，该压力通过连杆机构27传递到主索，控制主索的张紧力大小。连杆后摆杆22，连杆前摆杆23、摆杆连杆24如图2所示。
[0069]
如图1、图2所示，此装置包括四个模块，分别为安装平台、驱动系统26、碟簧张紧机构、连杆机构。左侧是主连杆与主索之间的连杆。主索与连杆前方摆杆铰接，主连杆与连杆后方摆杆通过鱼眼轴承连接，前后摆杆通过一根连杆两端铰接。
[0070]
一、安装平台：
[0071]
旋转架16、法兰盘5。
[0072]
旋转架具体如图3(a)和图3(b)所示。
[0073]
二、驱动系统：
[0074]
包括动力源以及杠杆机构，动力源有张力调节电动缸6和旋转架角度调节电动缸12；杠杆机构包括张力调节电动缸推杆8、张力调节电动缸杠杆9、直线轨道及其滑块10、杠杆支点11。旋转架角度调节电动缸推动12，电动缸推杆受力点与法兰盘所在的连接结构相连，其三角结构使旋转架可绕法兰盘旋转且具有稳定性。驱动系统通过张力调节电动缸推杆推动张力调节电动缸杠杆绕杠杆支点摆动，带动直线轨道滑块沿导轨滑动，滑块带动碟簧挡块前后运动。
[0075]
如图4所示，张力调节电动缸(上)、旋转架角度调节电动缸(中)、主索张力调节杠杆(右)正视图。
[0076]
三、碟簧张紧机构：
[0077]
如图5所示：
[0078]
其中包括主连杆1、直线轴承2、碟簧4、碟簧预紧螺母13、碟簧挡块3及其拉杆14。
[0079]
张力调节装置的驱动系统26以及碟簧张紧机构安装在安装平台。
[0080]
碟簧挡块拉杆与挡块铰接，挡块中心的孔以及直线轴承与主连杆轴配合，预紧螺母与主连杆轴采用防脱螺纹连接，连接方式如图5所示。如图6所示，通过张力调节电动缸推杆推动杠杆摆动，杠杆带动直线导轨滑块前后运动，直线导轨滑块拉动碟簧挡块前后运动，碟簧挡块推动碟簧提供压力，此压力通过主连杆传递到主索上，控制主索的张紧力大小。主连杆可在直线轴承内相对滑动，以此来拉紧或放松钢索。
[0081]
如图7所示为主索张力调节装置碟簧张紧机构装配三维模型。
[0082]
如图8(a)、图8(b)所示，张力调节装置18安装在弯刀21上，且通过主连杆1与支撑系统两主索连接。弯刀为张力调节装置提供支撑，通过上下摆动调节控制俯仰姿态，此装置补偿模型俯仰姿态调整过程中主索张力的变化。
[0083]
张力调节装置18通过法兰盘5安装在弯刀21上，且张力调节装置的主连杆1通过连杆27与支撑系统两主索15相连。弯刀21为张力调节装置提供支撑，通过上下摆动调节控制飞行器模型20俯仰姿态，因弯刀旋心与主索旋心不同，此装置补偿模型俯仰姿态调整过程中主索张力的变化。
[0084]
碟簧4安装在主连杆1上，通过碟簧预紧螺母13与碟簧挡块3压紧碟簧4，给主连杆1提供张紧力，主连杆1穿过直线轴承2与主索上的连杆相连。
[0085]
可调碟簧挡块3套在主连杆上，通过编号14可调碟簧挡块拉杆，使两边的碟簧挡块编号10的直线导轨滑块相连，通过编号9的杠杆可拉动直线导轨滑块，因此直线导轨滑块位移可拉动碟簧挡块3，调节碟簧限定位置。且连杆1、直线轴承2、碟簧4、可调碟簧挡块5、直线导轨滑块的轴线及其运动约束在同一条直线上。
[0086]
旋转架角度调节电动缸12调节可调节旋转架相对法兰盘5的角度，其根据索的角度调节旋转架16，使连杆轴向与钢索方向接近，减小系统摩擦。张力调节电动缸推动杠杆，带动直线导轨滑块位移。
[0087]
弯刀21转角与张力调节电动缸6以及旋转架角度调节电动缸12的运动关系。
[0088]
下面给出张力调节方法推导过程，图9给出了弯刀21转动与张力调节电动缸6以及旋转架角度调节电动缸12的运动原理图。
[0089]
风洞工作时，通过调整弯刀21角度，调整模型的俯仰角，根据几何关系，弯刀转动角度θw与主索转动角度θ满足以下关系：
[0090][0091]
其中，f是主索前固定点a到弯刀旋心b的距离，rw为弯刀旋转半径。
[0092]
由于弯刀半径小于主索旋转半径，弯刀运动时，如果不对主索张力进行调整，会导致主索张力变化。为了维持主索张力不变，需要调节电动缸位移补偿因旋转半径以及旋心不同引起的主索张力变化，主索补偿量dc满足
[0093][0094]
电推缸推杆位移d为
[0095][0096]
其中，m1杠杆支点g到导轨滑块f的水平距离，m2导轨滑块f到张力调节电动缸推杆h的水平距离，如图9所示。
[0097]
因弯刀半径以及旋心不同，弯刀旋转导致的旋转架与主索不在同一直线上，所以旋转架角度调节电动缸维持旋转架与主索在同一直线上。弯刀角度与旋转架角度调节电动缸推程bw需满足
[0098][0099]
其中，c为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与弯刀连接处点的距离，a为旋转架与弯刀连接法兰处点c到旋转架角度调节电动缸的底座与旋转架连接点e的距离；
[0100]
γ为角度调节电动缸与弯刀与旋转架初始角度，如图9所示∠ecd，满足
[0101][0102]
δθ为弯刀法兰轴线与主索的夹角，满足
[0103][0104]
在本实施例中，主索前固定点a到弯刀旋心b的距离f＝10m，弯刀旋转半径rw＝7m，旋转架与弯刀连接法兰处点c到旋转架角度调节电动缸推杆与旋转架连接点e的距离a＝2m，旋转架角度调节电动缸原始长度b＝1m，旋转架与弯刀连接法兰处点c到旋转架角度调节电动缸推杆与弯刀连接处点d的距离c＝2.5m，m1＝m2＝0.5m。
[0105]
需要实现模型俯仰角度调整能力范围为-5
°
～+5
°
，根据式(1)，弯刀需要转动的范围是-13
°
～+13
°
，如图10所示。
[0106]
为了维持主索张力不变，根据式(2)调节电动缸位移补偿因旋转半径以及旋心不同引起的主索张力变化，调节电动缸位移d满足如图11所示。
[0107]
为了维持旋转架与主索在同一直线上，根据式(4)弯刀角度与旋转架角度调节电动缸推程bw如图12所示。
[0108]
利用多体动力学求解器求解双索悬挂系统下的飞行器模型吹风状态下的响应，对风洞吹风下的模型姿态调整过程进行计算，验证反馈、前馈控制的有效性。在建立的弯刀控制悬挂系统多体动力学模型基础上，通过多体动力学求解器进行了有反馈控制和无反馈控制两种情况下的吹风下模型姿态控制仿真分析，获得的模型俯仰角和弯刀位置角的时间历程主索弹簧力变化如图13所示。由图13可见，因弯刀旋心在飞行器模型质心处，主索连接点19在模型前方，因此在弯刀控制主索俯仰角的过程中，需通过张紧力调节装置，补偿俯仰角变化时主索长度的变化，使主索张力变化范围较小，无张力调节情况下，主索张力变化较大。
[0109]
综述：
[0110]
本设计不同于国内外其他的风洞索支撑系统的张力调节装置。为了解决模型姿态调整时，由索长度变化引起的索张力变化，本发明通过张力调节电动缸调整碟簧挡块的位置，从而调整支撑系统钢索张力，使模型所受张力不变，则模型在沉浮、俯仰、侧摆、滚转和偏航等五个自由度上的振动频率都基本保持不变，使风洞模拟的飞行器模型动特性能足够接近在空中飞行时的动特性。且此张力调节装置杠杆、推杆、直线轨道滑块等零部件，在碟簧的后方，其阻尼不计入支撑系统，减小了机构对模型支撑频率和阻尼特性的影响。
[0111]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种全模颤振风洞试验索张力调节装置，用于为弯刀控制的悬索支撑系统提供张力调节，其特征在于，所述装置安装在弯刀上，包括依次连接的连杆机构、碟簧张紧机构和驱动系统，其中碟簧张紧机构和驱动系统均安装在旋转架上，连杆机构的前端与悬索支撑系统的两个主索分别相连；所述驱动系统为碟簧张紧机构的碟簧提供压力，该压力通过连杆机构传递到主索，控制主索的张紧力大小。2.根据权利要求1所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述碟簧张紧机构包括两套结构相同的分支，每套分支包括主连杆、直线轴承、可调碟簧挡块、碟簧、碟簧预紧螺母及碟簧挡块拉杆；连杆后摆杆两端分别连接一条主连杆，主连杆上依次套接直线轴承、可调碟簧挡块和碟簧，直线轴承固定在旋转架上。3.根据权利要求2所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述可调碟簧挡块与直线轨道滑块通过碟簧挡块拉杆相连，主连杆、直线轴承、碟簧、可调碟簧挡块、直线轨道滑块的轴线及其运动约束在同一条直线上。4.根据权利要求3所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述驱动系统包括两套结构相同的分支，每套分支均包括动力源以及杠杆机构，其中，所述动力源包括张力调节电动缸和旋转架角度调节电动缸；所述杠杆机构包括张力调节电动缸推杆导轨、张力调节电动缸推杆、张力调节电动缸杠杆、直线轨道滑块和杠杆支点；张力调节电动缸推杆可在其导轨内运动，张力调节电动缸推杆的末端与张力调节电动缸杠杆的动力点铰接，张力调节电动缸杠杆的阻力点与直线轨道滑块内部转子可相对轴向滑动，内部转子可相对滑块转动，杠杆支点固定在旋转架上，张力调节电动缸杠杆可相对内部转子轴向滑动，转子与支点铰接。5.根据权利要求4所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，通过所述张力调节电动缸推杆推动张力调节电动缸杠杆绕杠杆支点摆动，带动直线轨道滑块沿张力调节电动缸推杆导轨滑动，从而带动可调碟簧挡块前后运动，碟簧预紧螺母与可调碟簧挡块压紧碟簧，拉紧主连杆，向主索提供预紧力。6.根据权利要求5所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述装置通过法兰盘安装在弯刀上。7.根据权利要求6所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述旋转架角度调节电动缸推动电动缸推杆受力点与法兰盘所在的连接结构相连构成三角结构，使旋转架可绕法兰盘旋转且具有稳定性。8.根据权利要求7所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，弯刀转动角度θ
w
与主索转动角度θ满足下式：其中，f是主索前固定点到弯刀旋心的距离，r
w
为弯刀旋转半径；主索补偿量d
c
满足下式：张力调节电动缸推杆的位移d为：
其中，m1为杠杆支点到直线轨道滑块的水平距离，m2为直线轨道滑块到张力调节电动缸推杆的水平距离；弯刀法兰轴线与主索的夹角δθ与旋转架角度调节电动缸推程b
w
满足下式：其中，c为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与弯刀连接处点的距离，a为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的底座与旋转架连接点的距离；γ为两条线段夹角的初始角度，其中一条线段为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与弯刀连接处点的连线，另一条线段为旋转架与弯刀连接法兰处点到旋转架角度调节电动缸的伸缩杆与旋转架连接点的连线，满足下式：弯刀法兰轴线与主索的夹角δθ为：9.根据权利要求4所述的全模颤振风洞试验索张力调节装置，其特征在于，所述张力调节电动缸底座固定在旋转架上。

技术总结

本发明公开了一种全模颤振风洞试验索张力调节装置，用于为弯刀控制的悬索支撑系统提供张力调节，其特征在于，所述装置安装在弯刀上，包括依次连接的连杆机构、碟簧张紧机构和驱动系统，其中碟簧张紧机构和驱动系统均安装在旋转架上，连杆机构的前端与悬索支撑系统的两个主索分别相连；所述驱动系统为碟簧张紧机构的碟簧提供压力，该压力通过连杆机构传递到主索，控制主索的张紧力大小。本发明解决了基于弯刀控制的风洞试验支撑方案在模型俯仰姿态调整过程中索张力的变化带来的支撑频率的改变。改变。改变。