原子层热电堆热流传感器在激波风洞试验中的应用

高超声速边界层转捩及激波-边界层干扰等基础气动问题的风洞试验中,高频脉动热流是一重要测试量.为了验证自研的原子层热电堆热流传感器在实际风洞试验环境中的性能,利用尖锥模型在Φ2m激波风洞(FD-14A)内开展来流马赫数10、单位雷诺数4.7×106/m等流场条件下的风洞试验,并与高频脉动压力传感器对比,热流测试结果反映出...     

汕头大学大气边界层风洞的设计和研制

介绍了汕头大学大气边界层风洞和其配制的测控系统及流场校测结果,汕大风洞主要做建筑物的抗风实验和风环境实验,为模拟大气边界层,实验段较长,实验模型放在实验段后部,为减小曲轴向静压梯度顶板同度分段可调,风速比航空风洞低,配置了建筑物测压和测力实验后所需的电子压力扫描测量系统和高频底座天平。流场校测表明,该风洞的气动性能已达合同规定的指标。     

高超声速尖锥边界层压力脉动和热流脉动特性试验

高频脉动热流是激波风洞研究高超声速边界层转捩的重要测试量,利用尖锥模型在中国空气动力研究与发展中心?2 m激波风洞(FD-14A)内开展来流马赫数10、单位雷诺数分别为1.2×107/m、4.7×106/m、2.4×106/m流场条件下的风洞试验.获得了不同工况和流态条件下尖锥模型边界层热流脉动和压力脉动频谱特性,通过...     

高超声速1 MHz 高频脉动压力测试技术及其应用

为了研究高超声速边界层内的高频脉动结构,特别是第二模态不稳定波,在 FD-07风洞中搭建了一套1MHz 量级高频脉动压力采集系统。风洞背景噪声和电磁噪声是影响高频脉动结构测量的主要原因。在风洞流场品质无法改变的前提下,对高频脉动压力采集系统的信号传输进行了改进,包括工频电源隔离、传输电缆屏蔽和采集设备接地等。通过改进措施,采集系统的抗电磁干扰和信号衰减的能力得到改善,其信噪比得以显著提升。结果表明,改进前后各频段噪声的能谱密度大幅降低(在频率400 kHz 以下,噪声能谱密度降低了一个量级以上)。最后,利用该测试技术成功地在 FD-07高超声速风洞中进行了边界层稳定性实验,捕捉到了第二模态不稳定波,其主导频率范围与线性稳定性理论预测结果吻合。     

跨声速翼型绕流计算边界层反方法的研究

本文用有限差分方法,通过有粘/无粘迭代计算了二元翼型的跨声速绕流问题。在边界层粘性区域内考虑了层流、转捩及湍流流动,当边界层内出现分离时,使用边界层反方法,采用代数湍流模型。算例表明,对激波/边界层弱干扰和强干扰情况,该方法的结果与风洞实验结果吻合良好,对于求解边界层小分离流场是一种好的近似方法。     

模型烧蚀对尾迹电子特性影响的计算和实验研究

 基于气动物理研究的需要，针对高焓风洞的来流特点，采用计算和实验相结合的方法研究聚丙烯烧蚀对尾迹电子密度的影响。结果表明：计算结果可以有效模拟实验状态，电子密度的模拟精度有很大提高，误差在一个量级内；聚丙烯烧蚀可以降低尾迹的电子密度，但幅度不大，在2倍左右，其与选择模型材料的催化特性降低幅度相当；对电弧风洞的成功改进和非稀薄流静电探针诊断技术的应用，是尾迹电子密度测试的前提保障。     

MF-1模型飞行试验表面压力与温度测量技术研究

MF-1是我国首次以高超声速空气动力学基础问题研究为目的的航天模型飞行试验,试验模型为锥-柱-裙体,主要研究0°迎角圆锥边界层转捩和压缩拐角激波/边界层干扰现象。针对飞行试验转捩区测量需求,引入和改进了风洞试验中常用薄壁测热技术,设计了一种新型变厚度薄壁测温结构,有效抑制了侧向导热损失,可基于一维热流辨识方法获取可靠的表面热流数据;与现有风洞试验薄壁测热技术相比,该方法可提高有效测量时间,降低时间延迟效应,适于长时间飞行试验测量。针对柱-裙压缩拐角激波/边界层干扰区压力测量需求,采用了风洞试验中常用的基于引压管和电子压力扫描阀的测量方案,通过改进装配工艺,提高了系统耐压能力,实现了模型飞行试验全弹道表面压力测量。模型飞行试验结果表明:MF-1模型飞行试验测量系统可靠,获得了可供边界层转捩和激波/边界层干扰研究分析及CFD验证的可信数据;在热流急剧下降时一维热流辨识存在较大误差,以及压力测量中的时间延迟和低压测量准确度存在不足,是需要进一步改进的问题。     

混合动理学通量WENO方法拓展

在马赫数2.5来流条件下，开展了高频微秒脉冲放电控制压缩折角激波/边界层干扰非定常性的风洞实验，放电位于压缩折角上游沿流向布局的6对电极之间，所选取的放电频率为14 kHz,接近于来流边界层的特征频率。采用高速纹影成像技术记录流场的动态变化，并基于纹影图像灰度值的时间序列采用平均、均方根、本征正交分解、动态模态分解、傅里叶变换等方法进行处理，对比研究有/无控制情形下激波/边界层干扰的非定常特性。研究发现，对于无控情形的基准流场，流动的低频特性表现为分离激波的振荡及边界层大尺度涡经过激波的脱落行为，中、高频特性表现为边界层小尺度涡与激波的相互作用；对于受控情形，来流边界层内的大涡尺度在放电作用下增大，大尺度涡与分离激波相互作用使得激波的振荡转变为稀疏压缩波的脉动，流经激波的边界层脉动更强，分离激波的低频振荡(10～300 Hz)有所改善。此时，流动的低频特性主要表现为边界层大尺度涡经过激波的脱落行为，而中、高频特性与基准流场相似。     

翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模拟试验对风洞侧壁干扰进行模拟，将简单代数湍流模型扩展用于机翼／风洞侧壁结合区流动，分析了风洞实验侧壁干扰问题的形成机理和影响翼型实验侧壁干扰的各种因素，如翼型展长、风洞侧壁边界层厚度及侧壁边界层抽吸等，对实验结果的影响，得出了一些有用的结论。计算格式空间采用中心有限体积离散，时间采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分。计算结果证明了该方法的可行性和优越性。     

高超声速进气道内激波－边界层干扰研究

为了研究高超声速进气道内激波干扰和流场结构，对一个二维进气道模型在中国空气动力研究与发展中心超高速所风洞流场中进行了实验（Ｍ＿∞＝５．０，Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣６ｍ￣（－１））。采用纹影方法，结合压力测量对进气道内流结构进行诊断，同时用Ｙｅｅ的ＴＶＤ有限差分格式通过求解二维Ｎ─Ｓ方程对相应实验状态下的进气道内流场进行了数值模拟。风洞实验与数值模拟取得了较好的一致。进一步的分析还表明高超声速进气道内的激波─边界层干扰对进气道性能有很大的影响。     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展。试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3。诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域。     

The Radio Plasma Imager investigation on the IMAGE spacecraft

Radio plasma imaging uses total reflection of electromagnetic waves from plasmas whose plasma frequencies equal the radio sounding frequency and whose electron density gradients are parallel to the wave normals. The Radio Plasma Imager (RPI) has two orthogonal 500-m long dipole antennas in the spin plane for near omni-directional transmission. The third antenna is a 20-m dipole along the spin axis. Echoes from the magnetopause, plasmasphere and cusp will be received with the three orthogonal antennas, allowing the determination of their angle-of-arrival. Thus it will be possible to create image fragments of the reflecting density structures. The instrument can execute a large variety of programmable measuring options at frequencies between 3 kHz and 3 MHz. Tuning of the transmit antennas provides optimum power transfer from the 10 W transmitter to the antennas. The instrument can operate in three active sounding modes: (1) remote sounding to probe magnetospheric boundaries, (2) local (relaxation) sounding to probe the local plasma frequency and scalar magnetic field, and (3) whistler stimulation sounding. In addition, there is a passive mode to record natural emissions, and to determine the local electron density, the scalar magnetic field, and temperature by using a thermal noise spectroscopy technique.     

微波干涉仪在火箭羽流电子密度测定中应用研究

为研究火箭羽流的等离子体对导弹隐身性能和制导能力的影响,利用微波干涉仪设计了一种基于微波法的电子密度测试系统。采用有效的噪声屏蔽硬件措施和消除噪声的数据处理方法,提高了电子密度测试的精度。准确测试出不同推进剂之间电子密度特征上的差异,其测试结果与理论预估相符。该测试系统的使用对高电子密度的推进剂配方改进及等离子发动机设计具有一定的指导意义。     

感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析

设计了一种石英夹层感性耦合等离子体（ICP）隐身天线罩模型,采用有限元与Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）联合仿真的方法,建立了ICP放电的流体模型,得到不同气压及功率下与电磁散射相关的电子密度空间分布,在此基础上建立Z变换时域有限差分法模型,对石英夹层等离子体隐身天线罩的宽频段后向散射进行计算,同时利用微波干涉法及XFDTD软件对算法及程序进行验证。结果表明：感性耦合等离子体可产生较高密度等离子体,能有效实现雷达散射截面（RCS）的减缩,在气压为2 Pa时,碰撞衰减较弱,等离子体密度分布较均匀,衰减带宽集中在等离子体振荡频率附近,功率增加会使衰减峰值向高频方向移动,气压为20 Pa时,碰撞衰减增强,且等离子体密度分布有较大梯度,衰减带宽有效增加,同时RCS曲线的波动特性加强。     

Studies of anomalous potential drops due to ion density inhomogeneities

The dynamic response of a 1-dimensional plasma diode to an applied step voltage is studied during a few electron transit times by numerical simulations when the initial state has an ion density minimum (an ion density cavity). Depending on the cavity depth and the applied voltage the potential drop distributes over the cavity or concentrates in a cathode sheath. The transistion between the two states as well as the cavity potential profiles are predicted by an analytical model. Simulations with periodic cavities as initial state show that the applied voltage can be shared between the cavities. A double layer, steady on the ion time scale, is created by introducing a steady cavity by ion losses.     

地基单站GPS探测大气折射环境

基于地基单站双频GPS接收机,提出了实时遥感探测大气折射环境（包括对流层折射率剖面与电离层电子密度剖面）的方法,并经过实验验证可行。在对流层方面,改进精密单点定位技术使得对流层低仰角斜延迟可以实时解算,然后利用相关向量机方法反演得到对流层折射率剖面;在电离层方面,采用Kalman滤波技术消除硬件延迟得到电离层TEC,基于IRI模型,利用遗传算法反演得到电离层电子密度剖面。此研究为大气折射环境的实时、高效、低成本探测提供了一种新手段。     

Langmuir双探针测量Hall推力器羽流特性

应用Langmu ir双探针测量了距离Hall推力器出口30~100 cm的羽流特性。实验中真空舱压力保持在5×10-4~2×10-3Pa之间。实验证明,电子温度和数密度随着角度和轴向距离的变化而变化,但羽流中远场的电子温度变化幅度很小,基本稳定在0.455 eV左右;电子数密度随着与轴向距离和中心轴夹角的增加而减小。实验结果可为高性能的Hall推力器设计提供参考依据,并为等离子体羽流的数值模拟提供输入条件和验证依据。     

大型低轨道载人航天器电位主动控制

采用高电压太阳电池阵供电系统的低轨道(LEO)大型航天器会收集周围空间环境电子电流,使其被充电到较高的负电位,从而对航天器交会对接和航天员出舱产生严重的危害,因此对这种航天器表面电位进行主动控制可有效降低航天器运行风险和保障航天员安全。采用地面模拟试验的方法,利用空心阴极等离子体接触器发射电子的手段,模拟太空环境下对带负电航天器表面电位进行有效控制。研究结果表明,最小工质流率大于4.0 sccm时空心阴极发射的电子电流可以抵消航天器吸收的电子电流,实现航天器电位的自适应控制,将航天器表面电位钳制在20 V之内;且随着氙气流率的增加,钳位电压会更小。这一方法将有效避免航天员出舱活动和航天器交会对接时的放电危险,对中国航天器带电效应防护具有很重要的意义。     

高超声速球模型尾迹电子密度试验研究

在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上利用电子密度测量系统进行了高超声速钢球模型、铜球模型尾迹电子密度测量。电子密度测量系统由8mm微波干涉仪系统、开式微波谐振腔测量系统和闭式微波谐振腔测量系统组成。钢球模型直径φ10mm,速度分别为5．8、5．5、5．6和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为2．79、5．32、5．85和10．91kPa。铜球模型直径φ10mm,速度分别为5．6、5．6、5．7和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为1．33、4．79、5．89和10．91kPa。结果表明：（1）在压力5．3～11kPa范围内、速度约5．5km／s试验条件下,压力越高,钢球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较快;（2）在压力1．3～6kPa范围内、速度约5．6km／s试验条件下,压力越高,铜球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较慢;（3）在压力约10．7kPa、速度5．5km／s试验条件下,铜球模型的尾迹电子密度衰减速度比钢球模型慢得多。