气动热环境试验及测量技术研究进展

地面风洞试验和飞行试验是研究高超声速飞行器气动加热的主要手段。针对临近空间复杂气动外形高超声速飞行器气动热环境研究的需要，分析探讨了国内气动热试验及测量技术的发展情况。分析了临近空间高超声速飞行器外形特征以及飞行剖面、边界层转捩和气动热环境特性等，进而分析了气动热环境风洞试验模拟理论，介绍了适用于气动热研究的风洞试验设备及其模拟能力，重点讨论了适用于不同类型风洞的热流测量技术发展近况、存在的问题和发展趋势；在以长时间、高热流、高壁温为主要特征的高超声速飞行试验中，无法应用风洞环境下的热流测量技术，因而介绍了目前飞行试验中采用的气动热测量技术，讨论了根据结构温度反辨识表面热流存在的问题，以及热流传感器表面的"冷点效应"、表面催化特性等因素对飞行试验气动热测量的影响，提出了后续工作中应重点研究和解决的临近空间飞行器气动热环境测量技术问题。     

探测器安装结构对航天器壁温测量的影响分析

针对飞行试验中飞行器薄壁壳体测量温度与预测温度存在较大差异这一问题，采用气动热工程算法结合热传导计算方法，分析了测温探测器安装结构对测点温度的影响，并提出了改进措施。结果表明:对于薄壁结构飞行器在上升段有气动加热、其表面处于升温过程或热量由壳体表面向内部传导时，测温探测器安装结构对测点温度基本无影响。但当飞行器处于飞行中段，在辐射散热、表面温度低于壳体内部温度造成热量由壳体内部向外表面传导时，测点温度受原探测器安装结构影响明显，测量温度明显低于不装探测器时的预测温度；而采用本文提出的探测器安装方案，可明显降低对测点温度的影响，在飞行器的测点位置最大影响小于0.5K。     

高超声速飞行器热结构力热氧试验技术概述

为了解决高超声速飞行器地面热试验中大气富氧环境对试验结果造成的影响,更好的模拟飞行器在高速飞行过程中的力热载荷耦合作用,国内外近年陆续建立了多种试验设施和试验手段。本文简要介绍了典型的力热氧综合试验技术现状及力热氧试验中的热载荷模拟方法,并展望了力热氧综合试验技术发展方向。     

天线罩地面热试验—模拟气动加热的公式控法

导弹以超音速飞行时,结构外表面的温度可达几百度,因此在正式飞行前,一定要做模拟飞行时表面温度的地面热试验。这种试验可以采用三种方法来进行。一是温度控,即是用飞行时结构表面的真实温度T_1曲线作为地面热试验的控制参数。二是热流控,即是用飞行时结构表面所接受的热流q曲线作为地面热试验的控制参数。三是公式控,即是用飞行时结构表面处的绝热壁温T_(AW)曲线和对流换热系数α曲线作为地面热试验的控制参数(T_1、q、T_(AW)和α通过外热源计算可以得到)。温度控简单、方便、容易实现,对物性参数稳定、受热后不分层的材料适用。热流控对物性参数稳定、具有烧蚀性的材料适用。公式控对物性参数不稳定、受热后易分层的材料适用。但此方法调试复杂、不易实现。天线罩的材料是玻璃钢,它的物性参数是温度的函数、不稳定、受热时易分层,采用公式控进行地面热试验较合适,从而使试验成功。     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

采用内部测温估计表面热流在高超声速风洞试验中的应用

表面热流预估方法利用试验件内部的温度来预估其表面热流。该方法的最大优点是测量温度的热电偶是内埋在试验件内部,不与外界的高温气流直接接触。该方法为高超声速飞行器飞行实验估计表面热流提供一种可行的途径。为了验证该方法在预测外界流场特性方面的能力,在航天空气动力技术研究院(CAAA)的 FD-03风洞中开展了一系列高超声速气动热风洞试验。试验中采用一块铝合金试验板,部分试验采用光滑平板,其余试验在试验平板的表面添加拌线以干扰外界流场。而后采用热流估计方法预估试验板的表面热流。预估结果表明,如由拌线产生的激波等外流场的强烈变化将在估计的热流结果中得到清晰的显示。     

可用于标定的精确的表面温度测量系统

在结构热强度试验中,表面温发温度测量占有很重要的位置。结构试验中的表面温度摸拟,热应力计算,试验误差的分析……等等都必须建立在精确的表面温度测量的基础上。目前在表面温度测量中存在的关键问题是:如何在使用环境中对表面温度传感器(如热偶等)进行标定。美国最大的热强度试验室(莱特、彼得逊空军基地、空军飞行动力实验室)在这方面作了一些工作。下面的两篇文章所谈的系统就是一种可用于标定的、精确的表面温度测量系统。1、Standardizing Surface-Temperature Measurement发表在《Proceedings of Instrument Soeiet,of America Twelfth Natinal ISA     

红外点温仪在热结构试验中的应用

在热结构试验中,传统接触式测量方法不能满足传统的测试测控需求。将非接触式红外点温仪应用于热结构试验中,以解决传统测量方法的局限性。试验表明:新型非接触式红外点温仪能够满足温度超过1000°C的测量和温度控制需求,为未来热试验中温度测量和控制提供了很好的选择。     

试件合金成分对热输出影响的研究

箔式电阻应变片在热试验中得到广泛应用,影响热输出的因素有很多。文中对应变热输出的定义进行了阐述,并将影响应变热输出的因素进行了归纳。针对粘贴型箔式电阻应变片应用在热试验中的热输出问题进行研究,对试件合金成分不同是否会影响应变热输出进行对比试验及结果分析;得出试件合金成分不同会对热输出产生影响的结论。     

类F-16飞行器风洞虚拟飞行试验研究

为研究高性能战斗机在大迎角机动飞行时复杂的非定常流动现象和运动-控制耦合现象，研制了三自由度风洞虚拟飞行试验系统，开展了类F-16飞行器模型风洞虚拟飞行试验。在小迎角试验中完成模型短周期运动模态模拟和控制律验证，在大迎角试验中测量到俯仰运动失稳现象，在负迎角试验中测量到横航向耦合失稳现象。研究表明:在横航向耦合失稳时，采用副翼增稳滚转通道难以恢复横航向稳定性，且可能发生运动-控制耦合振荡，而通过升降舵机动改变迎角可有效恢复横航向稳定性。     

高超声速表面摩擦应力油膜干涉测量技术研究

针对高超声速摩阻测量的需求,将基于表面图像的摩擦应力油膜干涉测量技术( SISF)应用于Φ0.5m常规高超声速风洞.通过平板模型的风洞实验,进行了硬件设备平台研制、模型表面材料、油膜物性参数的影响特性以及干涉图像数据处理方法研究.结果表明,建立的SISF硬件设备和技术能够获得清晰的干涉条纹,平板模型表面摩擦应力测量结果与数值模拟结果一致,研制的SISF系统可以可靠地应用于高超声风洞模型表面摩擦应力测量.     

激波风洞高超声速摩阻直接测量技术研究

介绍了在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)激波风洞中进行的摩阻测量技术研究情况。在测量研究中,设计了压电型摩阻天平,为了提高摩阻天平的校准和风洞试验测量结果精度,便于风洞试验和校准之间安装的变换,本项研究的摩阻天平采用一种新结构,也就是测量表面和摩阻天平本体可以分离的分体式结构,由此确保在不同使用场合下,摩阻天平的测量表面或者校准加载块可拆卸和更换。验证性试验是在 CARDC 0.6m 激波风洞中进行的,流场名义马赫数分别为8和10,单位雷诺数分别为2.85×107/m 和1.58×107/m,试验中测量了带压缩拐角的进气道模型表面三个测点的摩擦阻力,也测量了摩阻测点及其附近热流,测量结果表明:模型表面的摩阻和热流与雷诺比拟准则符合得较好。     

二次成像法在风洞模型自由飞运动记录中的应用

风洞模型自由飞是一种无支杆干扰的非接触式气动特性测量方法。为获得相对于实验室固定坐标系的精确的模型姿态和位置测量值，必须在成像照片中有固定坐标系框架标志的清晰影像。本文描述了在高超声速脉冲风洞中模型自由飞运动记录中二次成像法的应用。以０．１ｍｍ细线所构成的正交实验室固定坐标框架置于模型运动记录的第一次成像面上，然后用高速鼓轮相机记录模型自由飞相对于坐标系运动的清晰照片，从而获得模型在高超声速（Ｍ＿∞＝９．９）流动条件下的静、动稳定性导数的有效结果。     

展望系统辨识方法在大攻角气动问题研究中的应用

在分析了目前进行飞行器大攻角气动特性研究所采用的尾旋风洞试验、常规风洞自由飞试验和遥控模型自由飞试验的优缺点之基础上指出:把系统辨识方法与这些试验方法结合起来,是一种行之有效的研究飞行器大攻角气动问题的技术途径,它可以简化这些试验方法的一些技术环节,提高试验精度。若气动数据来源于尾旋风洞,这种新方法只能研究飞机的发展尾旋和改出尾旋;若气动数据来源于常规风洞,这种新方法也只能研究飞行器的大攻角、偏离、过失速和失速性滚摆/滚转模态;只有通过模型自由飞获取气动数据,这种新方法才有可能研究包括尾旋全过程在内的各种大攻角飞行模态。     

2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2.4m×2.4m 跨声速风洞(以下简称2.4m风洞)虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

热膜技术在水流测速中的应用研究

研究了在我国现有条件下，利用普通自来水，在室内和试验水槽中不设调温装置的情况下，热膜技术在水流测速中应用的有关技术问题。并利用从美国TSI公司进口的1050A恒温型热线／热膜流速仪测量了紊动射流和三峡溢流坝模型冲坑中掺气水流的脉动流速及紊动结构问题，获得了成功。     

基于流固热耦合低温风洞扩散段热力学特性分析

低温风洞降温过程中，温度变化范围大，容易在结构内部引发较大热应力，影响设备运行安全。以中国空气动力研究与发展中心0.3m跨声速低温风洞扩散段为研究对象，基于流固热耦合方法，采用多物理场数据交换接口MpCCI，联合结构有限元软件Abaqus和计算流体动力学软件Fluent，建立扩散段的流固热耦合仿真模型，分析低温内流场的换热特性，计算低温风洞结构的温度及应力分布。通过低温风洞试验发现，流固热耦合仿真结果接近于实际的测量结果，能够准确反映低温风洞结构的热力学特性，可为低温风洞的结构安全性能优化提供可靠的仿真分析方法。     

飞行器表面气动载荷的柔性智能蒙皮多参量测量

飞行器表面气动参数特征是飞行器结构设计和安全评估的重要依据,而风洞试验作为最有效的测试手段,通常面临破坏结构、测量物理量单一等问题。提出曲面共形的柔性智能蒙皮测量技术,集成了多种超薄柔性传感器阵列,通过剪纸–拼接的完全共形方式集成到飞行器结构表面,在不改变结构表面形貌的情况下同步实时测量壁面静态压力、脉动压力、温度、壁面剪应力等多种气动参数。在直流式风洞、射流平台和FL–9风洞中对NACA0012机翼和飞行器尾翼进行了变风速和变迎角试验,分析风洞试验中采集获得的多种气动参数,验证了该系统的可用性,为风洞试验中柔性智能蒙皮多参量同步测量气动特性研究提供参考。     

0.3 m低温连续式跨声速风洞结构设计

低温风洞运行过程中，洞体回路承受的温度低且温度变化范围大，使结构产生较大的热变形和热应力，将影响风洞的气动性能和安全性。在进行0.3 m低温风洞结构设计时，通过合理选取风洞结构材料、采取驻室夹层内腔的气流换热和结构热变形释放等措施对结构热变形进行有效控制，并针对洞体回路的热变形和热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明，降温7200 s后，拐角导流片的温度降至约110 K，稳定段的法兰温度约为250 K，洞体回路的最大热应力出现在换热器驻室壳体上，约为110 MPa，安全系数大于1.8；洞体回路温度降至90 K时，长轴方向收缩约为29 mm，短轴方向收缩约为12 mm。通过低温风洞试验发现，仿真计算结果接近于实际的测量结果，调试试验结果验证了该风洞结构设计的可靠性。     

一种基于EMD的低湍流度信号处理分析方法

采用热线风速仪在3座典型低速风洞中进行了流场湍流度测量，这3座低速风洞包括1个低湍流风洞、1个常规闭口风洞和1个开口射流风洞。针对湍流信号通常受噪声干扰的问题，在湍流度值处理中引入了经验模式分解（EMD)自适应滤波和HHT时频谱分析方法。将EMD方法与其他几种湍流度值处理方法进行了比较，包括带通滤波方法（BP)、电磁噪声解耦方法（ENC)和高通惯性衰滤波方法（HPIA)。采用EMD方法测得低湍流风洞的湍流度值，在流场速度30~100 m/s的范围内小于0.05%。采用HHT方法完成了脉动速度信号的时频分析，分析发现开口风洞试验段的脉动速度HHT时频谱有突出的低频信号。所构建的EMD自适应滤波器可以有效控制噪声对热线输出信号的影响，是一种有效的低湍流度信号处理方法。