7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展，给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据，在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型，研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m，迎角范围-10°~10°，马赫数5~7，模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布，获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内，马赫数增大，尖锥转捩位置提前，分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起；随着单位雷诺数的增大，边界层转捩位置前移，转捩雷诺数保持不变，约为3.0×106；小迎角时，随着迎角的增大，迎风面边界层转捩推迟，背风面边界层转捩前移，在10°大迎角时，迎风区中心线转捩前移，出现迎角"转捩逆转"现象，背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

常规高超声速风洞级间动态分离装置设计与应用

对于采用助推级和巡航级串联布局方式的高超声速飞行器,需研制风洞模型级间动态分离装置,对助推级和巡航级级间分离运动过程开展研究。中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所针对某常规高超声速风洞的动态分离装置进行了详细设计与分析,主要包括动态分离支撑结构设计、动态分离支撑与释放装置设计。利用有限元分析方法得到了支撑结构固有频率,评估分析了支撑结构性能。利用视觉测量系统对动态分离支撑与释放装置性能进行了评估,得到了撑开到闭合的运动轨迹及运行时间。在某常规高超声速风洞上开展了风洞模型级间动态分离试验。计算及试验结果表明:支撑结构固有频率、动态分离支撑与释放装置运行时间（78 ms）满足风洞试验需求。针对不同风洞具体情况进行适应性改造,动态分离支撑与释放装置可广泛应用于常规高超声速风洞模型级间动态分离试验。     

端部状态对斜置圆柱气动力分布的影响

在有限长度圆柱气动力测试风洞试验中，端部状态的变化对气动力有很大影响。在雷诺数为6.43×104时，通过刚性模型风洞测压试验对3种端部状态下的斜置圆柱气动力特性进行研究，基于平均风压系数沿斜置圆柱的轴向和周向分布规律，分析端部状态对斜置圆柱气动力测试结果的影响。结果表明:斜置圆柱表面风压沿轴向可分为近上游端部区、中间区和近下游端部区；由于马蹄涡的存在，在近上游端部区的背风面，风压沿轴向有一个突变，端部状态对马蹄涡强度有很大影响；在中间区，背风面风压沿轴向出现交替变化，可能是由于在近上游端部区形成的旋涡受到轴向流作用向中间区流动导致的，端部状态对交替风压变化的幅度和阻力系数有很大影响；当下游端部封闭时，近下游端部区的迎风面和背风面风压都会出现突变，且迎风面的突变幅度更大，下游端板对近下游端部区迎风面的风压分布影响更大。     

基于小波变换的高超声速边界层动态图像分析

利用小波变换技术,研究高超声速下动态尖锥周期俯仰摆动的边界层转捩图像.通过基于二维小波变换的图像消噪和图像增强算法,优化动态实验图像,根据小波变换图像的奇异性提取沿时间历程变化的尖锥边界线和边界层图像,得到尖锥的俯仰摆动周期和迎角变化范围.结果显示边界层厚度的变化周期与尖锥的俯仰摆动周期存在相位差,随着迎角增大,背风面转捩点向尖锥前缘移动.实验结果表明,基于小波变换的图像处理技术不仅能够作为高超声速尖锥实验流动显示进行定性观察.还可以实现对高超声速边界层转捩实验的精确观测和定量分析,成为一种重要的量化和自动化的实验技术和分析手段.     

10°尖锥转捩诱导负荷的实验研究

当θｃ＝１０°之尖锥边界层出现转捩流态时，由于背风面与迎风面边界层转捩的不对称性所诱导的气动负荷，包括诱导法向力，诱导俯仰力矩，以及诱导法向力的作用点要随雷诺数而变化，转捩诱导法向力的存在，证实边界层转捩会在物面上诱导出压力增量，即存在着转捩诱导压力。     

超声速飞行器头罩分离风洞投放模型试验

采用风洞投放模型试验方法对稠密大气层内超声速飞行器两瓣罩旋转分离的运动特性进行研究，试验复现了飞行器两瓣罩旋转分离的整个动态运动过程，并得到飞行器头罩分离后两瓣罩运动轨迹和姿态角的变化规律，试验马赫数Ma=1.5。研究表明:飞行器两瓣罩在预置弹簧力作用下张开一定角度，气流进入两瓣罩腔内后压力迅速升高，高动压气流会对两瓣罩在分离过程中的受力情况产生重要影响，当两瓣罩根部与弹体间的铰链在临界解锁角η₀分离进入"自由飞行"阶段后，两瓣罩的运动轨迹和姿态角主要由气动力控制；弹体飞行迎角α=0°时，上下两瓣罩的运动轨迹和姿态角基本对称，弹体飞行迎角α=-5°时，上下瓣罩的运动轨迹和姿态角明显不对称性，弹体迎角α对两瓣罩分离特性影响比较显著。     

高速风洞级间分离轨迹模拟试验技术

针对多级航天器级间分离研究的地面试验需求,在高速风洞中发展了能够同时模拟前、后级运动的级间分离试验技术。利用风洞的上、下迎角机构,配置电机、传动系统和控制系统,建立了可变迎角和x向位移的上驱动机构,以及可变迎角、x向位移和y向位移的下驱动机构。分别将多级航天器的前、后级模型及测力天平与风洞上、下驱动机构连接,在级间分离计算机控制下,可开展前级迎角、后级迎角、前后级x向和y向相对位置协同模拟的轨迹模拟试验。调试和应用结果表明:上驱动机构可实现迎角–15°～15°、x向0～200 mm范围内的受控运动;下驱动机构可实现迎角–11°～49°、x向0～680 mm、y向0～507 mm范围内的受控运动;系统可用于常规测力试验、投放试验、网格测力试验和轨迹捕获试验。     

高超声速快响应PSP测量技术研究进展

高超声速流动中普遍存在转捩、分离和激波–边界层干扰等复杂流动现象,会导致飞行器表面压力分布复杂且变化剧烈。压敏涂料（PSP）具有非接触、高空间分辨率以及全场测量等显著优势,是高超声速气动测试亟需的精细化测量技术。近年来,随着PSP响应速度的提升与测量方法的发展,其应用已逐渐由常规低速/高速风洞测试拓展至高超声速领域,在高速运动模型测试方面也取得了突破。本文介绍了快响应PSP测量技术的最新研究进展,结合两类典型的高超声速风洞以及一种相对特殊的自由飞弹道靶设备,分别探讨了PSP测量技术的挑战与对策,并展示了相关应用实例,最后对高超声速快响应PSP测量技术研究进行了展望。     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性，中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验，试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生，并由此获得颤振临界参数；采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性，分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究，2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明，动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究，温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置，舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高；舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

背景波系下的隔离段激波串运动特性及其流动机理研究进展

对高超声速进气道-隔离段激波串在复杂背景波系下的突跳运动特性及其流动机理的最新研究进展进行了综述，涵盖了背景波系作用下的激波串运动特性、突跳机理和突跳运动特性的数学描述方法，以期对高超声速进气道相关研究工作提供一定的参考。首先，对固定背景波系和变化背景波系下的激波串运动特性和突跳机制进行阐述，指出隔离段壁面压力顺压力梯度和逆压力梯度的交替变化是激波串突跳特性产生的内在物理机制。其次，对背景流场下隔离段激波串突跳运动的触发机理和触发条件进行了讨论。最后，基于对运动特性和突跳机制的认识，尝试给出了背景波系作用下的隔离段激波串运动特性的数学模型，为激波串前缘位置控制提供参考。     

机身减速板流动特性研究

现役高机动战斗机普遍采用机身减速板来减小飞行速度和转弯半径并提高机动能力.采用物面测压及空间流场测量相结合的实验方法,在机身减速板开度60°,机身迎角O°~70°条件下,研究了机身减速板铰链力矩随迎角的变化规律,分析了减速板迎风侧和背风侧的流动结构.研究结果表明:减速板铰链力矩按迎角可分为3个区域:常值区(α=0°~16°),减速板铰链力矩基本不变,因为减速板迎风侧正压力逐渐减小,而背风侧负压力逐渐增加,两种相反的变化趋势相互抵消.非线性增长区(α=16°~32°),减速板铰链力矩显著增加,因为减速板铰链力矩主要贡献区为背风侧,该迎角区内减速板背风侧存在一对不断增强的旋涡,背风侧负压力显著增加.在非线性衰减区(α=32°~70°),减速板铰链力矩在迎角32°~36°范围内急剧减小,因为在迎角36°减速板背风侧旋涡流动变为速度较低的再附流动;减速板铰链力矩在迎角36°~44°范围内逐渐增加,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断增强,导致减速板迎风侧正压力显著增加;减速板铰链力矩在迎角44°~70°范围内逐渐减小,因为该迎角区作用于减速板迎风侧的机身涡不断减弱直至破裂,导致减速板迎风侧正压力逐渐减小.     

串联布局飞行器级间冷分离气动特性研究

针对串联布局飞行器级间采用冷分离模式时的气动问题进行了风洞试验,研究典型亚声速、超声速下级间夹角为零时,两级气动特性随级间距离以及迎角的变化规律。结果表明,在所研究的级间距离范围内,两级相互干扰未被隔绝,两级的轴向力系数变化规律与马赫数、级间距离和迎角有关;二级法向力系数犆犖基本不受级间距离影响,而在迎角较大的情况下一级犆犖会随级间距离的增大而增大。     

气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究

本文通过Pt-SiO₂型（铂-二氧化硅型）中空Janus微球在低浓度2%~4% H₂O₂溶液中的气泡驱动实验，观察到在每个气泡生长-溃灭周期内，Janus微球的运动呈现3个特征阶段，分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米，比前2个阶段的平均速度大2~3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在R_b~t1/3和R_b~t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面（Pt侧）的生长点偏离对称轴位置，Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H₂O₂溶液浓度的增加，还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性，而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。     

低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构实验研究

通过水洞流动显示实验对低雷诺数非细长三角翼绕流流动结构进行了研究,特别是前缘剖面对50°三角翼绕流涡结构的影响及存在双涡结构时模型的最大后掠角.实验表明,双涡结构对染色液的注入位置很敏感,且这一双涡结构现象在64°三角翼绕流中仍可观测到;此外,前缘剖面形状严重影响涡破裂位置及涡核的空间分布.与迎风面倒角前缘相比,背风面倒角的三角翼易于产生双涡结构、可以推迟涡破裂并使涡核靠近模型上表面,进而有利于提高三角翼的气动特性.     

40°后掠角三角翼不同前缘形状对其气动特性影响的实验研究

通过风洞测力实验,研究了40°后掠角不同前缘形状对三角翼气动特性的影响。实验结果表明:前缘背风面倒角机翼的升阻比最大,而前缘迎风面倒角机翼的升阻比最小。相同前缘形状倒角机翼,其倒角值的变化对三角翼升力特性的影响不大。小迎角下,前缘迎风面倒角机翼的升力系数略高于其余不同前缘形状的三角翼。     

基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究

为了适应强侧风条件下的短距起降,大型通用飞机要求在大侧滑角时依然有较好的横航向稳定性。以某大型通用运输机为对象,开展横航向特性研究工作,发现该飞机的横航向试验数据存在拐折现象,并利用理论分析和风洞试验开展了基于扰流板的通用飞机横航向稳定性的改善措施研究。研究表明:数据出现拐折现象的根本原因是机翼发生了局部分离——带侧滑角后机身引起的强烈上洗大幅度增加了迎风侧中央翼当地迎角,导致该迎角超过模型翼型失速迎角、发生局部分离。在机身侧面加装扰流板的方式干扰了上洗气流的流动,从而抑制了机翼上表面气流的提前分离,消除了横航向特征曲线的拐折现象,改善了飞机的横航向稳定性。