2.0m高能脉冲风洞研制及其关键技术

中国航天空气动力技术研究院建设的2.0 m高能脉冲风洞(FD–21)是一座自由活塞激波风洞,该风洞拓展了中国航天空气动力技术研究院原有的试验能力.主要介绍了这座风洞的研制过程和若干关键技术.在吸收国外相关理论和经验的同时,独立解决了诸多关键性的气动问题,并通过逆向设计流程完成了风洞的气动设计.基于这些努力,高能脉冲风洞...     

卡尔斯潘公司高超声速脉冲设备建设历程分析

本文主要介绍分析了美国卡尔斯潘公司的系列高超声速脉冲设备建设历程。为了适应不同的研究目的,卡尔斯潘公司先后建造了6座激波风洞和2座膨胀管风洞等脉冲设备,它们分别为11×15英寸激波风洞、48英寸激波风洞、96英寸激波风洞、无名高焓激波风洞、LENS Ⅰ激波风洞、LENS Ⅱ激波风洞、LENS X膨胀管风洞以及LENS XX膨胀管风洞。不管是设备规模,还是试验模拟能力以及测试技术水平,这些脉冲设备基本上代表了同期世界最高水平,并在一定时间内依然处于世界领先地位。本文通过对卡尔斯潘公司的LENS系列脉冲设备建设历程进行分析,希望可以对我国脉冲设备建设和发展相应的测试技术等提供一些有益的借鉴和参考。     

脉冲型风洞用加速度计测力天平

在工作时间＜３ｍｓ的脉冲型风洞中的试验模型上选定位置处，安装加速度计来进行力和力短的测量。对于高焓脉冲型风洞模拟再入飞行，研究高超声速真实气体效应是十分必要的。     

长实验时间对撞活塞压缩风洞原理研究

对撞活塞压缩风洞可获得长时间的高压高焓实验气流,是建造长时间运行高超声速风洞的新思路。采用简化分析和数值计算分析对撞活塞压缩风洞的工作原理,以验证对撞活塞压缩风洞的可行性。简化分析考虑定压比热随温度变化,基于流场均匀性假设,给出了实验时间以及实验气体状态参数随时间变化历程。采用商业软件 Fluent 对全尺寸风洞流场运行过程进行数值模拟,模拟结果表明:挤压式恒压装置可使风洞在较长时间内(约25ms)保持压强近似不变,与简化分析结果相符,但对撞活塞压缩会使管道内流场温度分布不均匀,导致温度出现波动(相差不超过180K),这是对撞活塞压缩风洞一个需要解决的问题。     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

空天飞机的风洞试验

本文首先分析了一级入轨和两级入轨的空天飞机对风洞试验的要求,指出现有风洞试验能力在空天飞机推进试验方面存在明显的不足,然后评述了美国常规风洞和脉冲风洞的最近进展。主要讨论了不同加热形式的常规风洞的特点,介绍了美国可供空天飞机推进试验用的现有常规风洞和最近改建的设备;分析了脉冲风洞用于推进试验的优缺点,介绍了激波风洞、自由活塞激波风洞和膨胀管用于推进试验的情况。最后对我国的风洞发展如何满足空天飞机的要求提出了建议。     

高超声速电离绕流中电子密度的静电探针测量方法研究

高焓激波风洞是开展高超声速电离绕流研究的重要地面模拟设备。在中科院力学所 JF-10高焓风洞上通过新的破膜技术获得了稳定运行的试验状态,利用施加高频扫描电压的静电探针来探索模型边界层内的电子密度测量方法研究。为解决高频扫描时线路由于 RC 特性所带来的噪音干扰问题,针对测试环境发展了新的探针电路。结果表明:新型探针电路大大降低了线路干扰噪音,能够有效测量模型边界层内的电子密度分布规律。     

高温真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验探索

主要介绍了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中进行真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验研究。首先从测试工作的角度,论述了测热模型、测热传感器及风洞改进等关键技术问题及其解决方法。其次描述了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中,首次开展气动热风洞试验的过程及其初步结果。结果表明:热流数据随测点位置和迎角的改变呈有规律的变化;在同样条件下,完全催化表面比完全非催化表面热流数值有明显增加的趋向。     

一种新运行方式脉冲燃烧风洞研制及初步应用

介绍了一座喷管口径为600mm、利用氢与富氧空气混合燃烧产生高焓试验气流的脉冲风洞.风洞首次采用了活塞挤压为加热器供应燃料和路德维希管供应富氧空气的工作方式,实现了风洞试验过程中需多少燃料就供多少燃料,消除了采用路德维希管供燃料存在的弊端.自主研制的大通径快速阀取代了膜片,提高了设备运行效率.风洞在吸气式高超声速技术研究中得到了成功应用.     

粘性相互作用对高焓激波风洞实验段自由流静压测量影响的分析

通过理论分析、实验测量和数值模拟,研究高超声速粘性相互作用对实验段自由流静压测量的影响.研究表明:由于粘性相互作用,高焓激波风洞实验段平板静压测量值远高于实际自由流静压.在热化学非平衡流情况下,经典的粘性相互作用参数和经验公式具有局限性.     

脉冲风洞热喷流实验方法初步研究

发动机燃气喷流对高超声速飞行器后体气动热环境有显著的影响,燃气喷流的物理模型对预测飞行器局部热环境有显著影响,为了利用脉冲风洞研究这类影响规律,研制了一套瞬态热喷流供气系统,建立了瞬态热喷流供气系统的工作方法.该系统的核心技术是利用氢氧燃烧驱动路德维希管(Ludwieg tube),提供瞬态热喷流气源.本研究包括以下内容:不同氢氧比例对燃烧产物热力学状态及产生方式的影响;不同点火、破膜方式对气源产生及喷流流场稳定性的影响.本研究提出的热喷流供气系统可以提供满足缩比模型喷流实验所需喷流状态的热气源;可以在50ms内起动工作,满足与脉冲风洞同步工作的要求.     

航空工业1m量级高超声速风洞设计与建设进展

航空工业1 m量级高超声速风洞(FL-64)是国内最新建设的一座暂冲自由射流式大口径常规高超声速风洞,采用吹引式运行方式,同时考虑到低动压试验需要,另建有真空抽气系统.详细介绍了FL-64风洞的总体性能指标、关键部段设计、流场校测和标模试验结果.风洞性能指标如下:模拟马赫数范围4.0～8.0;总压范围0.1～8.0 M...     

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O（777.19nm）谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气（＞5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H₀=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1~1.2）×1018cm-3之间,低能级5S₂0粒子数密度在（1.0~1.6）×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。     

微型飞行器研究用极低速风洞的特点

用于微型飞行器气动特性研究用的极低速风洞在国外公开发表的资料很少见到.因此在总体设计、气动计算与结构设计中均遇到许多新问题.在缺少资料以及实际设计与使用经验的情况下,经过多方案比较、详细的气动计算、调查研究和实机测试,按照设计技术要求研制成功了试验段直径为φ100mm,风速可以从1m/s无级调速到13m/s的微型飞行器研究用极低速开口自由射流风洞.其流场可用区域大,流速可调范围宽,而且可以无级调速.给出了总体方案的选择、部件气动计算的结果、风洞气动轮廓图以及流场测量数据.     

高速柔壁自适应壁风洞中半模型试验技术研究

为了克服自适应壁风洞在模型支撑方面的困难和加大试验模型,提高试验雷诺数,西北工业大学在高速二元柔壁自适应壁风洞中开展了半模型试验技术的研究。采用基于平均流线概念的二元计算方法和以消除模型轴线洞壁干扰为目的的三元计算方法,两种方法均以沿上下柔壁中线所实测的洞壁压力分布为计算依据。试验采用有对比试验数据的AEDCWIM1T洞壁干扰测压模型,堵塞比为3．38％。在所作的试验状态下其试验结果与AEDC4T风洞的实验结果比较吻合,表明在高速二元柔壁自适应壁风洞中采用半模型试验是可行的。     

低速TPS试验内式流量控制技术研究

TPS试验技术是风洞中研究飞机/发动机一体化设计的最佳手段之一。作为发动机模拟器的TPS单元采用高压空气驱动,因此高压供气流量控制精度与试验精度直接相关。常用的外式流量控制方式由于风洞模型内部空间限制,无法对2台以上的TPS单元进行流量控制。针对外式流量控制方式的不足,设计了一种基于双喉道匹配设计的内式流量控制装置,集流量控制与测量功能于一体,可同时进行4台TPS单元的流量控制,满足4发运输机的动力模拟试验需求。为考核该装置的性能,进行了地面校核试验,试验结果表明该装置具有良好的流量线性控制能力,控制分辨率优于0.15 g/s,流量控制精度优于3 g/s;在8 m×6 m低速风洞进行了某型飞机全模TPS动力模拟试验,试验重复性精度满足国军标合格指标。     

大型连续式跨声速风洞总体方案与关键技术研究

大型连续式跨声速风洞具备飞行器外形精确模拟、气动弹性评估和机体/推进一体化设计等试验能力,试验段尺寸大、指标要求高、系统规模大、运行功能多.围绕大型连续式跨声速风洞的特点,简要介绍了大型连续式跨声速风洞总体设计方案,重点介绍了世界一流流场品质实现、大型轴流压缩机及其驱动系统研制等关键技术的初步研究成果.     

高超声速风洞两级引射器气动性能试验研究

以中国航天空气动力技术研究院（CAAA）FD-07风洞为对象,进行了马赫数5~6时两级超声速引射器气动性能试验研究。通过二级引射器单级调试、两级引射器联调、主-次流混合调试,获得了引射器运行时的相关数据。通过试验数据分析,得出如下结论:（1）在FD-07风洞引射器马赫数5~6试验中,一级引射器运行压力0.8MPa、二级引射器运行压力1.0MPa时,引射器运行效率较高,中压气源消耗较少;（2）超声速引射器用于维持风洞运行压比,而风洞驻室低压环境（即试验模拟高度能力）主要由主气流状态决定,与引射器关系不大;（3）一级超声速引射器能对主气流干扰、二级超声速引射气流干扰起到很好的隔离作用。进一步明确了FD-07风洞引射器的运行状态,优化了引射器运行压力方案。     

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。