超高速高焓流动研究进展

本文介绍了中国科学院高温气体动力学重点实验室在超高速高焓流动模拟技术和试验方法方面取得的研究进展.文章主要包括三部分研究内容:第一部分是关于发展先进的超高速试验模拟技术,包括爆轰驱动高焓激波风洞和爆轰驱动高焓膨胀管.高焓激波风洞产生的超高速气流速度的范围是3.5km/s～6.0km/s,高焓膨胀管能够模拟速度为6.5km/s～10km/s的超高速气流.第二部分介绍高焓激波风洞喷管流场诊断结果,用来检验喷管产生的超高速流场的流场品质及其与飞行条件的差异.第三部分是关于超高速流动的试验方法和数值技术研究,包括高焓流动中真实气体效应对飞行器俯仰力矩变化的影响;热化学反应流动中表面催化效应诱导的气动热变化规律;喷管流场的气流非平衡效应对试验结果可能产生的影响.     

JF-16膨胀管流场分析及升级改造

膨胀管（风洞）是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一,针对中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室的爆轰驱动膨胀管JF-16,通过高焓流动数值模拟方法辅助诊断JF-16的流场特性可以发现,高温真实气体效应可以显著增加激波对气体的压缩能力并影响强激波结构,加速段内试验气流静温及化学成分较真实飞行条件有所偏离。为此对JF-16进行升级改造,通过在加速段末端加装锥形喷管,利用喷管的定常膨胀过程进一步调整试验气流的静温,进而提高试验气流品质,同时可以扩大试验区尺度。数值模拟结果表明8°锥角为最优选择,此时试验区尺度可扩大至140 mm。     

高焓激波风洞爆轰驱动技术研究

激波风洞爆轰驱动技术利用引爆可燃混合气体快速释放的化学能产生强激波,压缩激波管的试验气体,提供产生超高速流动所需的试验气源,是近十几年来发展成功的激波风洞强驱动方法.本文分布介绍了反向爆轰驱动、正向爆轰驱动和反向爆轰膨胀驱动模式,分析了应用这些驱动技术产生的高焓、高雷诺数、高超声速流动的气源特点,探讨了不同驱动模式影响激波风洞性能的关键因素.并重点介绍了反向爆轰膨胀驱动模式,分析了影响缝合条件的参数以及二次波现象.应用这些爆轰驱动技术,研制了能够产生总焓为1000K～8000K,具有较长试验时间的高品质超高速气流.为开展高超声速气动实验研究奠定了良好的基础.     

Absolute Radiometer for the Flow Field of a Hypervelocity Projectile

As part of a hypervelocity instrumentation development program, it was desirable to include a radiometer system for measuring absolute radiation from projectile flow fields. A system employing a photomultiplier tube was designed, and laboratory and range experiments were conducted to investigate its performance characteristics. The laboratory experiments show that the linearity, saturation, and noise characteristics are suitable for this measurement; the system bandwidth is adequate to allow low frequency calibrations to be applied to high frequency measurements; and a derived expression for radiometer sensitivity variation as a function of photomultiplier supply voltage is reasonably correct. The results of the range experiments imply that the system response is sufficient to reproduce accurately input pulses as narrow as one microsecond and that a particular analytical technique for calculating the form of the radiative input to the radiometer from the projectile stagnation region is valid. Principles involved in the design of photomultiplier radiometer circuits of this type are discussed in detail.     

使用“双腔负压法”实现激波管高声压级校准

提供了在激波管中使用“双腔负压法”实现高声压级校准的方法,该方法克服了静电激励法高声压级校准中只能给出了传声器的电学特性的特点本文初步描述了使用该方法的激波管系统的组成,实验步骤以及ＨＣ１６传声器初步实验的结果。”     

一种机载设备拦阻着陆冲击试验方法的研究

当机载设备承受拦阻着陆冲击环境应力时,该应力可被描述为一个持续衰减的冲击载荷。这种冲击 载荷量值不高但持续时间较长,与普通着陆时的冲击载荷存在较大差异。本文针对传统试验方法复现该环境时 试验件会出现较大的位移,现有试验设备大都无法满足要求的问题,提出了二次波形补偿的试验方法,通过理 论计算大幅降低试验的位移,并进行了试验验证,可使大部分试验条件直接在电动振动台上完成。     

爆轰驱动膨胀管性能研究

超高速流动一般指速度超过5 km/s的流动,由于流动具有高焓高速的特点,模拟超高速流动的地面试验设备面临极大挑战。膨胀管(风洞)是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之一。中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室(LHD)通过将正向爆轰驱动技术和膨胀管结合在一起,建成了可实现最高速度10 km/s超高速试验气流的爆轰驱动膨胀管(JF-16),并开展了典型模型试验。在此基础上对JF-16进行了改造升级工作,为其设计喷管增加了膨胀风洞运行模式,对其性能进行了相关试验测试研究。同时,对膨胀管相关数值方法进行了介绍,并开展数值模拟对试验状态进行辅助诊断和分析。     

用热流探针测量激波速度

激波速度测量是激波管和激波风洞运行状态的一个重要参数,压电传感器或光学方法测速系统成本高,而传统电离探针在激波马赫数较低、波后温度达不到空气电离程度的情况下无法满足实验要求。提出了一种使用同轴热电偶作为测速探针来测激波速度的方法,弥补了电离探针在激波马赫数较低时的不足。介绍了同轴热电偶探针测速原理,并设计了测量激波速度的系统电路。通过信号放大电路锁定激波冲激信号,触发脉冲信号发生电路,实现了一种单通道、多测点的激波风洞测速系统。分别开展以温度与热流为触发信号的风洞实验,结果表明只有使用热流信号才能满足激波测速的时间要求。     

Resonant Cavity Measurements of Ionized Wakes

A transmission resonant cavity technique, which is suitable for making measurements of electron line densities and collision frequencies in the ionized wakes of hypervelocity projectiles, is described. With this method electron density measurements can be made over six orders of magnitude. Resonant cavity design requirements and limitations of the method are discussed. Typical data from measurements behind projectiles traveling at speeds up to 6.5 km/s are given.     

VXI总线仪器自动计量校准系统的研究

VXI总线仪器由于其性能优越且软，硬件体系具有开放性，在航空，航天，电子通信，交运运输，军事等领域得到广泛的应用。作为一种自动测量设备，VXI总线仪器自身的计量校准也是必要的，不可回避的。本文结合作者的研究课题，阐述了进行VXI总线仪器校准的必要性和特殊性，分析比较了几种VXI总线仪器校准方案，组建了一套自动校准系统，论述了校准软件的结构及软件误差的控制措施，最后展望了VXI总线仪器校准的发展方向。     

亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0．6mm 的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0．1mm高速弹丸的探测。     

Magnetically Driven Shock-Tube Flow Studies at High Velocities

An attempt to employ a magnetically driven shock tube as a tool for aerodynamic studies of high velocity and high enthalpy flows is described. Examples of results are given.     

Range Instrumentation Radars

The history of range instrumentation radars begins at the end of World War 11, with the SCR-584 radar. Since then, the use of instrumentation radars on ranges all over the globe has expanded greatly to gather metric performance data on aircraft, projectiles, missiles, and satellites. In this paper, key subsystem-level and system-level developments during the past decade are reviewed, including pulse-Doppler, digital range systems, calibration techniques, computer usage, and dualfrequency systems. Recently developed instrumentation radars from domestic and foreign sources are described as are three unique high-power large-aperture systems used for satellite and ballisticmissile measurements. The paper concludes by examining the likely requirements for instrumentation radars of the future.     

Instrumenting embedded test software in support system integration, factory production, and depot repair

Embedded built-in test (BIT) software typically provides a system-level go/no-go indication and, in the presence of a failure, may provide some level of sub-system isolation. This level of reporting, while meeting the customer's operational requirements, does little to support system integration, production, and repair. To support these other needs, "instrumentation code" is added to the BIT software to provide detailed test data through an external interface. Since the BIT software already accesses the hardware parameters for testing, it becomes the most logical component for the instrumentation. This paper describes the techniques of embedding instrumentation during BIT design and development to support a broad range of program test needs. It explains the costs and benefits associated with the use of instrumentation. It gives specific examples of instrumented software and describes how instrumentation data can be used during environmental tests, factory test, and depot test. The impact instrumentation has on software development time, code size, execution time, and reliability is discussed as well as the cost of retrofitting BIT software to add instrumentation. Some of the benefits as well as the challenges to developing effective embedded instrumentation is also examined.     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

200m自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0．5～30kg模型发射速度0．3～5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1．5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0～80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。     

飞机高升力系统扭力管旋转角度测试方法

在飞机地面模拟试验环境下需要测试高升力系统襟翼扭力管旋转角度.由于扭力管属于系统试验件,在不改变试验环境构型的情况下不可截断或更换安装用于测试扭力管旋转角度的旋转编码器.本文利用同步轮法实现了在不破坏扭力管前提下安装旋转编码器测试扭力管旋转角度,方法简单、可靠,且容易实现,很好的满足了试验大纲要求.     

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。     

雾化激波管研制和煤油点火延时测量

为测量雾化煤油点火延时和得到火焰自发辐射光强分布,研制了雾化激波管和燃料雾化、进气系统。采用“管外预混”思想形成煤油气溶胶,通过连续进气和抽吸方法使气溶胶均匀分布,未出现明显的液滴沉降和壁面吸附。当点火温度为1000K,缝合接触面运行的实验时间大于10ms。由压电传感器PCB和光电倍增管PMT测量指定点压力、OH基光强时间曲线。利用Mie散射测量煤油气溶胶散射光分布,采用ICCD拍摄自点火发射光强。结果表明：该雾化系统可形成粒径为2～5μm煤油气溶胶。当压力为0．1MPa、温度为1300K～1700K,测得化学计量比≠=1．0煤油气溶胶点火延时τig为0．07—6ms,In（τig）和10000／τig近似呈线性关系。与气态煤油相比,该文高温点火延时和已有文献数据接近,但低温点火延时偏大,表明了低温下煤油点火的两相效应。     

Extended Area Range Instrumentation System Utilizing DME Links

Updated and expanded range instrumentation installations require a system capable of actually tracking and controlling large numbers of vehicles over expanded areas. A range instrumentation system is discussed based on distance measurement equipment (DME) coupled with high performance data links which satisfies these requirements. Previously developed DME systems utilized a single frequency data link, required a low sample rate, and accomodated only a few vehicles. The DME range instrumentation system described will handle a large number of test vehicles and accomodate high data rates without performance degradation. This is accomplished by incorporating surface acoustic wave (SAW) devices and microprocessors with previous developed technology. A system performance analysis for various configurations of the range instrumentations system design is also presented.