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。     

激波风洞高焓流动及其驻点对流和辐射热流测量

在激波风洞中用氢氧燃烧驱动方法获得了总压１４ＭＰａ，总温高达７２００Ｋ的高超声速高焓平衡流，可以模拟再入飞行速度４至５ｋｍ／ｓ的真实气体效应。本文还介绍了高温气流中驻点对流和辐射传热测量技术及其测量结果。     

激波风洞驻点热流测量误差机理及其不确定度研究

详细分析了测热传感器安装后驻点区曲率变化对局部流场变化和热流变化的影响规律,并根据不同传感器的类型和敏感元件的组成情况,研究给出了修正方法和修正系数;研究了传感器表面温升与热流之间的相互影响关系,对热流实测结果进行了修正。同时,研究了来流流场的微小变化对热流的影响,分析了传感器组成尺寸、人为读数、传感器重复使用等随机因素对热流测量的影响,并结合随机误差分析理论给出了不确定度的评定方法,计算得到了某次热流试验中的测量不确定度。并由此给出了对传感器制作和测热试验方法的改进建议。该文的研究内容有利于进一步提高热流测量精度,为高超声速飞行器的研制提供参考。     

飞行试验用双结点热电偶传感器研究及测量误差分析

高超声速飞行试验气动热测量对快响应、小型化的热流传感器提出了需求，双结点热电偶传感器具有响应快、尺寸小、测量信息丰富等优点，是飞行试验热流测量的优质解决方案。以双结点热电偶传感器为研究对象，开展了传感器测量原理、传感器结构以及测量方法研究，并将该传感器应用于飞行试验模型壁面温度测量。试验结果表明:双结点热电偶传感器可同时测量模型表面温度和背面温度；背温测量误差相对较大，背温测量结点尺寸较大、背温测量结点与模型壁面之间的绝缘涂层是影响背温测量结点热响应的主要原因。针对双结点热电偶传感器，目前尚缺乏相应的热流辨识方法。     

尖前缘驻点热流精细化测量研究

为提高升阻比特性，现代高超声速飞行器常采用尖前缘结构，这对热防护系统提出了很大挑战。尖前缘结构由于表面曲率较大，常规的点测量和面测量试验技术均难以对驻点热流进行准确测量。针对尖前缘驻点热流测量难题，制作了专用的整体式薄膜电阻温度计，建立了驻点热流参数辨识方法，并以不同前缘半径（R=1.0、2.0和5.0 mm）的斜劈模型为研究对象，在FD-20高超声速脉冲风洞中开展了试验验证，来流马赫数分别为4、5、6和8，试验结果表明:整体式传感器稳定性好、灵敏度高、耐冲刷性强，其参数辨识方法精度高，试验获得的前缘驻点热流与理论值误差小于15%。     

载人飞船返回舱的气动热流率分布

高超声速有攻角钝头轴对称体的载人飞船返回舱的热流率计算，目前已有很多方法。迎面球冠的对流加热率可由风洞试验结果和Ｌｅｅｓ及Ｄｅｔｒａ－Ｋｅｍｐ－Ｒｉｄｄｅｄ等的驻点热流理论作较好预测。拐角圆环区是返回舱上加速流最剧和气动加热最严重的地方。试验结果表明迎风倒锥附着流表面的热流率和背风倒锥分离流表面的热流率分别比零攻角驻点的热流率的１５％和５％还低。     

高超声速风洞来流扰动测量及数据后处理技术研究

来流扰动对高超声速风洞中开展的实验研究，如层/湍流边界层的不稳定性与转捩实验，有直接影响。为加深对高超声速风洞中边界层转捩实验的认识，需对高超声速风洞的来流扰动进行定性与定量的测量与分析。提出一种高超声速风洞扰动模态校测方法，使用热线风速仪和皮托管压力探头对高超声速风洞自由来流进行测量。在小扰动假设前提下通过模态离解分析，并结合直接数值模拟结果，获得风洞自由来流各扰动模态的幅值。运用德国不伦瑞克工业大学马赫数6 Ludwieg式高超声速风洞对该方法进行检验。实验结果显示:该风洞为典型噪声风洞，其来流扰动中声波模态高达扰动总模态的69%，涡波模态和熵波模态约各占15%。该扰动模态校测方法为高超声速风洞的流场扰动测量提供了一个思路，为基于高超声速风洞开展的实验提供了借鉴和参考。     

小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器的研制

为满足常规高超声速风洞试验的热流测量需求，研制了一种小尺寸Schmidt-Boelter热流传感器。建立了传感器仿真模型并基于该模型对其结构尺寸开展了优化设计。根据优化结果，制作了尺寸为Φ 3×10 mm的传感器样件。在弧光灯热流标定系统上进行了性能测试，试验结果表明:该传感器灵敏度系数大于30 μV·m2/kW，响应时间约50 ms。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷，若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应，地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此，本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式，分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异，采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析，提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

电弧风洞喷管壁温对平板试验的影响研究

为研究电弧风洞喷管壁面温度对平板试验的影响,研制了隔热半椭圆喷管,采用电弧风洞半椭圆喷管平板试验的方法,将喷管长轴边与平板试验模型连接,使气流延伸到模型表面进行试验。喷管扩张段水冷壁面在试验初始时期（冷壁）和壁温上升（热壁）条件下,试验研究了平板测试模型表面冷壁热流和平衡温度的变化。结果表明:在喷管来流焓值1.00～2.55 MJ/kg范围内,相对于冷壁,热壁模型表面冷壁热流增加4.7%～15.0%,平衡温度最大升高4.24%。因此,热防护试验时应考虑喷管壁面温度对平板试验结果带来的影响,需要提高来流焓值。     

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。     

基于热流触觉传感器的物体表面热属性识别(英文)

基于人手热觉感知机理,设计了一种热流触觉传感器,该传感器由恒温元件和热流传感器构成。恒温元件保持热流敏感元件热端恒温,热流传感器检测传感器与被测物体表面间的热流温差,热流传感器采用玻尔贴器件。设计了两种不同方式的热流触觉传感方式。分析了采用热流触觉识别材料热属性的方法,具有温度差异的传感器与物体相接触,在传感器和物体间形成热流,不同材料物体热流不同,并对不同材料的物体进行了热流触觉仿真和试验。结果表明,所研制的热流触觉传感器能较好地识别不同热属性的物体。     

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中，高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性，提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法，搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置，并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程，可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点，其加热方式为瞬态加热，能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境，可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术.采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计.测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响.通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线.采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果.     

基于混合传热模态的瞬态热流测试方法研究

瞬态热流是电弧加热器试验高温流场需要校测的重要参数。针对高热流、强冲刷试验测试环境,根据能量守恒原则,给出了一种基于热容吸热和一维半无限体传热的混合传热模态的瞬态热流测试方法,分析了有效测试时间范围。在此基础上,设计了一种新型结构的瞬态热流传感器。结合标定试验,对研制的瞬态热流传感器进行动态响应特性检测和准度校准,并应用于电弧加热器试验环境中。结果表明:该瞬态热流传感器具有良好的动态响应性能和抗冲刷能力,可以满足电弧加热器试验环境高热流测试需求。     

氮气辐射强度的激波管测量与验证

超高速飞行器的热防护设计必须考虑激波层内高温气体发射与吸收的辐射能量，需要有效的辐射加热评估手段。相应飞行条件下的光谱辐射强度地面实验测量是验证数值模型和方法、理解高焓流动的重要手段。基于燃烧驱动激波管，发展辐射强度标定技术，针对富氮气环境，开展高温气体光谱辐射强度的高分辨定量化测试，掌握辐射特征，为数值验证提供基础数据。实验获得了激波速度5.70和6.20km/s条件下的气体光谱辐射强度精细结构，数据表明激波波后的非平衡过程对辐射强度存在很大影响。通过求解耦合化学反应动力学模型的Navier-Stokes方程和辐射特性模型，得到对应实验条件下的流场参数和辐射强度，计算结果和实验数据符合很好，验证了数值模拟方法。