长时间隔热材料环境的稳态热流测量方法

介绍并研究了一种基于一维稳态热传导原理的三段稳态塞式量热计.该量热计通过测量探芯中间康铜段前、后表面上的温差来得到壁面热流密度.适合稳态、低热流状态下,驻点及大面积区长时间隔热材料上的多点测量.首先从理论上分析了三段稳态塞式量热计的稳态热流测量原理;然后采用超声速矩形湍流导管试验技术,利用等离子电弧加热器进行了表面热流测量试验.结果表明:在包含来流参数约±4%的系统误差情况下,三段稳态塞式量热计的测量重复性偏差为±7.6%,经误差分析得到该量热计的热流测量精度在5%以内.     

电弧加热器铜污染组分效应发射光谱定量研究

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要地面试验平台，其采用电极放电加热获得高温气体的方式，会产生铜蒸汽粒子，并随同进入地面试验模拟的等离子体气流，产生电弧风洞地面试验铜污染组分效应。本研究利用发射光谱诊断技术，发展了一套电弧加热器高温流场组分在线诊断测量系统，开展对10 MW高焓叠片式电弧加热器铜电极烧蚀的在线测量，获得了铜原子浓度的实时测量结果。基于所选铜原子谱线，开展了对电弧加热器起弧过程和稳定工作过程的测量，同时分析了管式电极和环形电极下电极烧蚀的情况。研究结果表明：起弧瞬间，电极烧蚀较明显，管式电极的铜原子峰值浓度要明显高于环形电极；稳定工作后，环形电极铜原子烧蚀量迅速下降，并保持在一个较低水平（<10^-6），管式电极仍然存在较高、不稳定的烧蚀，显示管式电极的烧蚀量要明显高于环形电极，且管式电极烧蚀量随着电弧加热器运行电流的增加而增加。基于该测量结果，建立了判定电极失效的直接判据，并用于保障电弧加热器运行安全。为研究电弧加热器电极烧蚀及地面试验铜污染组分效应提供了非接触式测量手段，目前，该测量系统已经作为电弧加热器的常规测试手段，提供电弧加热器高温气流的在线诊断。     

高温热管与高导热石墨烧蚀传热性能

利用石英灯辐射加热器和电弧风洞耦合加热模拟高超声速飞行器驻点高温区的加热环境,对一

种内部为高温热管和一种内部为高导热石墨的简单球柱形套装样件进行了加热试验。利用非接触红外测温装

置对样件表面的温度进行了测量,通过与内部为C/ C 材料制成的对比样件的试验结果分析,发现高温热管和

高导热石墨均能够有效地将样件驻点高温区热量传导到柱身低温区,其中高温热管样件驻点温度降低9. 5%,

柱身温度升高14. 6%;高导热石墨驻点温度降低14. 4%,柱身温度升高11. 4%,显示两种材料均具有良好的热

疏导效果。

     

碳/石英防热复合材料烧蚀性能

为研究碳/石英防热复合材料的烧蚀性能,采用电弧加热器和碳/石英平头驻点模型,在不同驻点压力Ps、不同热流密度q和不同焓值hs的多组合条件下进行了烧蚀试验。针对试验所得数据,利用多元回归分析方法,建立了质量烧蚀率与热流密度、驻点压力、焓值3个参数之间的数学模型,并对模型的合理性进行了检验。结果表明,所建立的3个参数数学模型对试验数据的拟合程度很好,热流密度与质量烧蚀率最为相关;与单参数、2个参数的数学模型相比,3个参数的数学模型对实验数据的拟合效果更好,能很好地反映碳/石英防热复合材料的烧蚀性能。     

三维四向石英/酚醛复合材料烧蚀性能的实验研究

介绍了利用最短长度的轴对称拉伐尔喷管，在FD－04D电弧加热器上对三维四向石英／酚醛复合材料进行的驻点烧蚀试验，并利用多元线性回归分析的方法，拟和出材料的质量烧蚀率与气流总焓和驻点压力的关系式，即m1=aHs^bPs^c。在一定的范围内，利用此关系式，可以很方便地计算出这种石英／酚醛复合材料的质量烧蚀率。     

一个跨音速风洞的设计和使用

我们将一个实验马赫数范围为0.4至0.9的高亚音速风洞经过扩建后成为一座跨音速风洞, 实验马赫数已扩大到0.3至1.2, 实验段已由半开式改为跨速音孔壁形式, 截面尺寸为530×760毫米, 孔壁开闭比为23%, 扩开全角为0.6°。跨音速实验段孔壁与槽壁的选择, 从消除亚音速洞壁效应来说, 两者相差无几, 从消除激波反射效应考虑, 孔壁明显的优于槽壁, 但孔壁扩开角宜小。孔径与壁厚之比及孔径与实验段高度之比, 对孔壁流动特性和对气流的扰动均有影响。驻室空间的大小对气流中心压力分布的均衡作用, 驻室出口面积与排气引射作用及扩压效率都有密切关系。在音速喷管下游设立一个有效的气流加速区域是建立跨音速流场最关键性的问题, 加速段的长度看来相当于一个实验段高度为宜。跨音速流场调整结果表明, 马赫数小于及等于1.0时在模型实验区域610毫米长度内, 轴向马赫数偏量(△M)/M小于±0.47%,马赫数梯度小于0.006/米。马赫数大于1.0及小于1.15时, (△M)/M小于±0.75%, 马赫数梯度小于0.006/米。马赫数大于1.15及小于1.20时, (△M)/M小于±1.57%, 马赫数梯度小于0.016/米。在实验马赫数范围内气流平均偏斜角Aα小于±0.05°, 因此认为已达到可用的跨音速流场标准[6]。风洞气流紊流度估计不大于0.1%, 总压损失不超过0.24大气压力, 最大流量为100公斤/秒, 以实验段高度530毫米为参考长度的风洞雷诺数R^e范围为3.7×10⁸至8.2×10⁹, 驻点为大气状况。跨音速标准模型实验结果表明, 纵向气动系数测量结果是可靠的, 同美国NACA空对空导弹外形的发射实验和飞机模型的风洞实验数据符合一致。阻力系数C_x偏差量一般在±0.001至0.004之内, 升力系数C_y差量一般在±0.005至0.03之内, 俯仰力矩系数M_z偏差量一般在±0.004至0.015之内, 重复性实验良好, 不重复性值均在±0.002至0.005之内, 因此该风洞可以提供模型实验使用。亚音速洞壁效应已基本上消除, 实验结果毋需进行洞壁干扰修正; 但激波反射效应的消除程度有待进一步研究和实验[7]。今后风洞跨音速性能仍应继续改进,希望马赫数大于1.15以后,流场均匀性(△M)/M不大于1%,最大实验马赫数达到1.22至1.25并消除洞壁激波反射效应,因此应对孔壁和加速段结构形式、扩压效率等给予注意。此外改善风洞天平测量系统的准确性和灵敏性问题随着流场问题的解决就显得更加迫切了。     

电弧加热器驻点烧蚀/侵蚀试验技术

介绍了在电弧加热器试验设备上进行复合材料烧蚀/侵蚀试验技术,通过改进电弧加热试验设备和粒子播发系统,将石墨粒子均匀注入到高压混合室中,与高温空气混合后经过超声速粒子加速喷管形成烧蚀/侵蚀试验流场,对驻点模型进行试验,同时建立了相应流场参数的测试、计算方法。并对C/C和含钨C/C防热复合材料的抗粒子侵蚀性能进行了初步研究。结果显示有粒子流场的均匀性和重复性较好,能满足材料的烧蚀/侵蚀考核试验要求,且含钨C/C材料的抗粒子侵蚀性能高于C/C材料。     

烧蚀试验纵横向自动送进系统

为发展各种快速探针,提高电弧加热器调试和烧蚀试验的效率以及试验结果的质量,我们研制成功了一套纵横向自动送进系统。该系统容许五个模型或探针参加试验。横向送进,采用大功率步进电机驱动,到位重复性优于0.1毫米,还能以0.08米/秒一0.43米/秒的速度扫掠各种快速探针;纵向送进,采用激光定位——快速离合器控制的直流电机驱动,可准确地补偿模型烧蚀的后退量。经过现场调试,排除电磁场干扰后该系统已获得成功。利用该系统各种快速探针测出了电弧加热器射流的压力剖面、热流剖面和气流焓值。烧蚀试验的效率和质量均得到了很大的提高。     

高温高速气流总焓接触测试法对比分析

发动机尾焰、燃烧加热、电弧加热器等高温高速气流总焓测量存在较大误差,采用结构优化的质量吸入水冷焓探针,标定后的驻点热流和驻点压力探针(Fay-Riddell公式法)对高温高速气流总焓进行了对比测试。结果表明:焓值为2.5~5 MJ/kg时,焓探针的测试误差约为3.38%,采用Fay-Riddell公式法获得焓值的误差约为3%。焓探针与Fay-Riddell公式法平均偏差约为4.65%。在地面模拟试验时采用两种测焓方法确定测试精度,对减小高温高速气流测焓误差,提高试验模拟精度具有积极的作用。     

电弧加热流场品质优化初步研究

电弧加热器可以提供马赫数10以上连续式风洞运行总温、总压的参数要求,将其用于气动力试验风洞加热器,需要对其流场品质进行优化。通过改进电弧加热器的结构和配置冷气混合室及稳定段,改善了喷管出口参数在空间分布的均匀性和时间上的稳定性,并减缓了流场气流的旋转和脉动,提高了试验参数的重复性。经初步流场测试及天平测力可行性研究表明:流场核心区的总温及皮托压力偏差小于平均值的2%,试验测力数据与常规高超声速风洞接近。     

基于互相关技术的声波飞行时间测量系统的设计与实现

根据声学法测量温度场的需要，研制了基于互相关技术的声波飞行时间测量系统。文中阐述了声学测温原理，详细说明了该系统的设计与实现过程。利用该测量装置的软、硬件设计，能够较好地实现声波飞行时间的准确测量。实验结果表明该测量系统性能稳定，能满足声波飞行时间测量系统的要求。文中给出了声波飞行时间测量装置的系统框图和装置图。     

常规高超声速风洞蓄热式加热器性能参数计算

介绍了常规高超声速风洞增设加热器的必要性及不同类型加热器的优缺点,重点介绍了电预热金属蓄热式加热器的设计温度、内径、对流换热系数和蓄热长度等性能参数的计算方法。调试结果表明,加热器的所有性能参数均达到设计指标。     

直流电弧加热器多电极运行技术试验研究

多电极运行是提高直流电弧加热器大电流运行可靠性的有效途径。通过对双阴极/单阳极和双阴极/双阳极电弧加热器多电极运行调试,探寻了镇定电阻匹配方式、气体流量和电流等参数对多电极中各电极电弧电流分配特性的影响。结果表明,镇定电阻匹配方式是影响多电极稳定运行的关键因素,气体流量和电流等运行参数对电弧电流分配影响较小;对于双阴极/单阳极电弧加热器,只有在内外阴极同时连接镇定电阻,并且满足一定电阻差时,才能将电弧电流稳定分配到各个子电极上;对于双阴极/双阳极电弧加热器运行时,不论内外阳极是否连接镇定电阻,只要内外阴极连接镇定电阻,电弧电流均可稳定分配到各个子电极,并且电流分配比例可根据镇定电阻的匹配方式进行调节;多电极运行时,宜选用电流分配均匀,电能损耗小的电阻匹配方式。     

声衬流动声性能测量的流管实验装置设计及调试

管道风扇声衬优化设计的重要环节是实验验证所设计的声衬结构在设计的流动工况下能否具有所要求的声学性能,本文回顾了验证实验装置流管设备的发展历史,介绍了北京航空航天大学所建立的流管装置的结构和工作原理,以及初步的调试,实验说明工作段流场均匀,无流动的声场满足波导管理论,初步调试表明该装置基本满足设计要求,调试是初步的,有、无流动条件的管口的声阻抗测量及其它有关流管的实验研究还有待进一步进行。      

材料长时间加热试验及隔热性能预测分析

针对高超声速再人飞行器长时间的气动加热,在电弧加热风洞上进行了热防护系统材料性能的长时间加热模拟试验.实现了电弧加热器加热运行时间长达1000s.本研究对三种多相隔热材料进行了隔热性能探索性试验研究,并进行了数值模拟计算,结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关;相应地增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效导热系数,并延长材料达到热平衡的时间.     

红外窗口内冷防热机理及其性能预测

给出了红外窗口内冷防热机理和防热性能预测.以液氨作为冷却剂在窗口内通道流动,利用液氨由液态转化为气态的相变过程中大量吸热的特性,达到冷却窗口的目的.并采用有限元方法计算外部具有对流加热,内部有冷却剂吸热的窗口材料温度分布.本文计算结果与地面电弧加热器实验测量结果作了比较,两者较为吻合,验证了防热预测方法的可行性.     

基于透射法的能见度测量装置设计与实验研究

探索并实现了一种新型的单端透射式能见度测量装置,该装置是一种易于对准调校的便携式测量系统。介绍了装置的基本设计思路及主要测量原理,进行了装置与参考仪器的能见度测量比对实验。实验验证了装置测量能见度的性能,测量相对误差在±15%以内。     

声波飞行时间测量系统中串行通信的设计与实现

稳定可靠的上下位机通信程序是声波飞行时间测量系统实现声波飞行时间准确测量的关键。为此研制了基于VC6.0的上下位机通信程序。文中详细介绍了该通信程序的设计与实现过程，给出了上下位机通信流程图及相应的主要通信程序。实验结果表明该通信程序能够较好地实现声波飞行时间测量系统中下位机和上位机之间的通信，系统性能稳定，满足声波飞行时间测量系统的通信要求。     

用脉冲光屏法测量高温等离子体流场中的粒子

粒子场测量技术目前广泛用于气液，气固两相流中，但是在等离子体流场中的粒子测量目前尚未很好解决，本文采用序列脉冲激光屏多次曝光摄影法，克服了流场的严重干扰，在电弧加热器等离子体流场中，对飞行速度达２０００ｍ／ｓ的粒子实验获得成功，得到了某一截面内粒子的尺寸，空间分布及数密度等参数。     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难。为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究。结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较。结果表明：马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞。