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。     

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。     

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.     

数值分析加力燃烧室的燃烧效率和燃烧流场

本文对装有钝体火焰稳定器的加力燃烧室燃烧效率特性进行了数值分析和实验研究。计算中用k-s双方程模型描述紊流特性,用Magnussen的涡团耗散模型以及燃烧模型估算化学反应速率。为了考虑火焰辐射对燃烧效率的影响,采用热通量法辐射模型估算辐射通量。由于燃烧流场密度变化较大,故在守恒方程中采用密度加权平均来处理。试验中用热电偶测量温度,对燃烧效率和壁面温度作了研究。最后,将计算结果与试验数据作了比较,结果表明本文的计算方法和计算程序是合理可行的。     

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。     

超燃冲压发动机温度及热流测量技术研究进展

测量超燃冲压发动机内部温度及热流场可以为表征、评估、优化其工作状态与性能提供重要支撑。本文综述了可用于发动机温度及热流测量的接触式（铠装及薄膜式）传感器、非接触式（光电及辐射式）测量技术的研究现状及特点。重点介绍了薄膜式热电偶及热流计的发展趋势以及在高温瞬时测量领域的应用前景。最后，对超燃冲压发动机温度及热流测量技术进行了展望。     

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。     

激波风洞温敏热图技术初步试验研究

介绍了可用于激波风洞等高超声速脉冲设备复杂外形模型表面热流分布显示与测量的温敏热图技术.该技术利用温敏材料发光特性随温度变化的特点实现对模型表面的温度测量,进而分析获得其表面热流分布.由于有效运行时间一般只有10ms左右,在激波风洞中采用温敏热图技术在材料温敏响应、图像采集等方面均存在困难,导致此技术还很不成熟.介绍了近期在CARDC0.6m激波风洞中开展温敏发光热图技术研究的情况,包括发光材料的研制、材料喷涂、图像处理及标定等方面的研究工作.验证试验采用了平板加钝舵模型,获得了与理论分析及传感器测量结果较一致的平板干扰区热图结果.热图与薄膜传感器测量数据差异大致在5%~25%之间.     

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。     

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。     

表面热流辨识技术在边界层转捩位置测量中的应用初步研究

目前工程飞行试验中主要采用近壁热电偶测温法来确定飞行器表面流动的边界层转捩位置,由于测点离表面较近,对温度传感器量程和结构强度有较高要求.为此,提出了基于表面热流辨识技术确定转捩位置的基本思想和处理方法,测点可以距离表面相对较远.但是,当测点越远离受热面,辨识问题的不适定性会越强,因此需要采用仿真辨识方法来对传感器安装位置进行合理选取.在给出二维传热模型表面热流辨识算法的基础上,对两个算例进行了仿真辨识分析.结果表明:基于表面热流辨识技术确定转捩位置是可行的,能给出较为准确的转捩区域判断.     

水卡量热计的流热耦合模拟研究及试验分析

研制了一种包含球冠测热体和热防护罩的球头水卡量热计,建立了球冠测热体与测试水的流热耦合模型,基于该模型和热流标定试验分析了水道内水温分布特点及其对热流测量的影响。结果表明:水道内测试水离受热面越近,水温越高,且沿水道径向的温度梯度越大;测试水质量流率越小,沿水道轴向和径向的温度梯度越大,热流计算结果因水温测点位置不同的差异就越大。设计水卡时应使热电偶尽可能远离受热面并靠近水道中轴线;使用前需进行热流标定,确定合适的测试水质量流率范围,获得准确的修正系数。试验结果表明,该球头水卡量热计能够应用于长时间、高精度、多状态的驻点热流测量。     

高速立铣加工中切削温度的测量

介绍了一种用常规的自然热电偶和标准热电偶方法实现高速加工过程中切削温度的直接接触式测量的计算机辅助测温系统。它采用自然热电偶测量刀一工界面温度，采用夹丝热电偶测温技术对工件表面和体内温度分布进行直接接触式测量。该方法可以应用于刀具旋转的切削加工中(例如立钻、立铣)测量切削温度，并已在高速立铣淬硬钢研究中得到应用。     

高超声速低密度风洞红外热图技术初步研究

为了对红外测热与热电偶测热进行比较研究,在马赫数M∞=12,驻点温度T0=650K,驻点压力P0=1630kPa的高超声速稀薄气流中,对一平板斜坡薄壁模型进行了试验,试验结果表明这二者所获得的模型表面热流率符合得较好。与此同时,对模型表面发射率的测量、模型物面坐标与热图象素坐标的对应关系也进行了初步探讨,重点提出了在大极角情况下对发射率进行修正的方法,即根据模型表面不同位置的法线,调整红外热像仪镜头轴线,使被测量区域的极角尽可能小,以保证发射率在此范围内为常数。     

高超声速对流环境下冷点效应对圆箔式热流传感器测热特性的影响研究

在高超声速对流环境测量气动加热时，圆箔式热流传感器表面温度往往低于被测物体表面温度，这种表面温度的不连续会影响边界层流动，使热流测量结果产生偏差。针对高超声速对流条件下的钝头-平板模型，采用数值模拟方法研究了传感器表面局部低温引起的"冷点效应"形成机理以及对表面热流的影响。结果表明:被测物体表面壁焓H_w与恢复焓H_re的比值H_w/H_re越高，"冷点效应"越明显；传感器表面温度T_w2与被测物体表面温度T_w1的比值T_w2/T_w1越小，"冷点效应"越明显；来流雷诺数Re对"冷点效应"影响较小。在马赫数Ma=18的来流条件下，研究分析了冷点效应对传感器测量结果的影响，结果表明:冷点效应使测量结果偏高1.25倍，复现了热流预示结果与试验结果的差异。     

探测器安装结构对航天器壁温测量的影响分析

针对飞行试验中飞行器薄壁壳体测量温度与预测温度存在较大差异这一问题，采用气动热工程算法结合热传导计算方法，分析了测温探测器安装结构对测点温度的影响，并提出了改进措施。结果表明:对于薄壁结构飞行器在上升段有气动加热、其表面处于升温过程或热量由壳体表面向内部传导时，测温探测器安装结构对测点温度基本无影响。但当飞行器处于飞行中段，在辐射散热、表面温度低于壳体内部温度造成热量由壳体内部向外表面传导时，测点温度受原探测器安装结构影响明显，测量温度明显低于不装探测器时的预测温度；而采用本文提出的探测器安装方案，可明显降低对测点温度的影响，在飞行器的测点位置最大影响小于0.5K。     

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。     

多喷流干扰级间热环境风洞试验研究

运载火箭级间热分离过程中,级间段受高温高压喷流的影响,所处环境恶劣,研究级间热环境中压力、温度和热流分布规律对级间段结构的优化具有重要意义.在(φ)1m高超声速风洞中,采用以微型固体火箭燃气为喷流介质的热喷流模拟技术,模拟了运载火箭二级主发动机和四个游动发动机同时工作多喷流干扰条件下的级间热环境,并对级间压力、温度和热流测量试验技术进行了研究,获得了不同级间距、不同排燃窗开口数量情况下的二级底封头和一级前封头表面的热流、温度及压力分布特性.试验结果表明,级间距越小,分离环境越恶劣,压力、温度、热流分布越不均匀;总排燃面积保持不变,排燃窗开口数量变化,对一级前封头上的压力、温度、热流影响不大,但对二级底封头影响较为明显,随着开口数量的减少,二级底封头上压力、温度、热流值均有所增大.本项试验采用同轴热电偶测量了级间区域的热流,热流结果精准度的提高以及热流模拟准则还需进一步探索和研究.