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。     

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。     

高速冲击下块体金属玻璃动力学响应的实验研究

块体金属玻璃具有极高的力学强度,存在潜在的军事应用价值,实现其应用的关键在于认识材料在高应变率下的动力学行为特性。为此,利用飞片驱动速度可达3．5km／s的电炮加载装置,对一种新制备的锆基块体金属玻璃的动力学响应进行了实验研究。实验中,基于高精度DPS激光干涉仪测得的样品／窗口界面粒子速度波剖面,获得了新材料在应变率约为10^5／s下的冲击响应特性参数。在加载压力15～25GPa范围下,确定的Hugoniot弹性极限约为2．4GPa,线性拟合得到的冲击Hugoniot关系为Ds=（4．4±0．1）＋（0．58±0．08）up。     

甲烷气体的冲击状态方程数值计算

为了研究甲烷气体的冲击状态方程，用一维无粘流体反应动力学方程组。分别以7组元17步反应和13组元加步反应模型计算了常温下压力为0．12MPa时受高速飞片撞击的甲烷气体的Hugoniot数据，给出了飞片速度为3km／s-9km／s范围内9种条件下的数值结果。在相同的初始条件下，当飞片速度较低(如3km／s)时两种反应模型给出相同的结果。通过较高飞片速度下的计算结果与实验结果比较，13组元40步反应模型给出的数值结果与实验结果基本一致。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心趟高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1．94km／s（Ma=5．65）,单位雷诺数4．32×10^7～1．20×10^8m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0．6～2．2mm之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0．3～0．8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明：弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

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。     

直射式喷嘴跨流喷射的雾化特性试验研究

 应用Malvern激光测雾仪在气流速度50～150m/s,供油压力（1.1～4.2）×10⁶Pa,喷嘴直径0.5～0.9mm,喷嘴下游距离60～250mm参数范围内对直射式喷嘴跨流喷射的雾化特性进行了研究。根据试验结果得出了相应的经验关系。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

基于微细梁振动位移的微尺度射流测速方法

实验研究微尺度射流流场中微细梁发生的振动过程，并提出基于该原理测量微尺度射流速度。实验使用长度56．2ram、直径约0．07mm铜丝作为微细梁，使用直径约0．36mm喷管产生的微尺度射流。使用高速摄影仪观察射流流速在2．7～27．3m／s间梁振动的变化。试验结果发现当射流喷嘴对准梁3／5处时，振动过程中振幅随射流速度上升。而当射流喷嘴对准梁的9／10和3／4处时，在高流速下，振幅不随流速上升。使用霍尔传感器和磁铁测量梁的振动，当喷嘴对准梁的3／4处，霍尔传感器输出电压有效值随射流流速线性增长。但在其他位置，由于磁铁改变了梁的均匀结构，振动随流速的变化不规律。     

飞机加强蒙皮在12．7mm弹丸撞击下的损伤

为了研究飞机蒙皮在12．7mm标准机枪弹丸射击下的损伤，对3mm厚LY12-CZ材料的单蒙皮及其加筋板在实验室进行了模拟弹击试验．通过试验研究，一个由高速气炮，弹体与弹托分离机构、连续位移激光测速装置和弹丸回收装置被建立并有效的用于本文的弹丸正撞击试验。通过对四边固支的3mm厚蒙皮用12．7mm直径弹丸进行从速度从约60到300m／s的正撞击试验，结果表明，靶板从微小损伤到完全击穿；弹击造成的变形区有效直径随着弹丸速度的增大而呈幂指数趋势下降；弹击引起的变形深度随弹丸撞击速度增加而呈直线下降：靶板上的应变随弹丸速度增加而呈渐进降低。弹丸的剩余速度随弹丸撞击速度增加而呈直线上升．最后利用DYNA3D程序对单蒙皮及其加筋板进行了弹击数值模拟．模拟结果与弹击试验结果较吻合．     

聚集状态下凝相颗粒的收集与测量

发展了一种可以收集燃烧室中聚集状态颗粒的方法，研制了收集实验装置。数值计算表明，通过改变实验装置的收敛角和实验状态参数可以模拟真实发动机中的颗粒聚集状态。利用该实验装置开展了聚集颗粒收集实验，实验工况模拟了某高过载发动饥在横纵向过载均为40g时的颗粒聚集状态。对实验收集到的颗粒进行了电镜分析，发现大颗粒是由多个小颗粒聚合而成，说明聚集状态下颗粒间碰撞聚合的概率大大增加。对粒径分布进行了半定量的统计，与非聚集状态下的发动机燃烧室中的粒径分布作了比较，证明聚集状态下粒径要比非聚集状态下的大得多。     

颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究

设计了两套冲刷状态可调的烧蚀实验发动机，开展了颗粒冲刷对绝热层烧蚀影响的实验研究。结果表明，冲刷速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素；颗粒冲刷速度较低时，即使颗粒浓度很高，烧蚀率也并不是很大；对烧蚀数据进行的回归分析表明，最大线烧蚀率与颗粒冲刷速度平方接近正比关系，而颗粒浓度的影响非常小。     

基于气固两相双流体模型研究火箭发动机斜切喷管流场特性

为了研究火箭发动机(SRM)斜切喷管的两相流动特性,采用气体-颗粒相双流体模型,并结合多区域混合网格技术,对发动机斜切喷管内气相与颗粒相的相互作用规律进行研究,探索颗粒直径与颗粒质量分数变化对发动机喷管气固两相流动特性的影响。结果表明:固体颗粒相的存在,对发动机斜切喷管的流场结构产生重要影响,导致喷管轴线附近存在一个燃气流动速度较低,温度较高的区域。同时,喷管壁面附近存在无粒子区,随着颗粒直径的增加,无粒子区域的范围逐渐扩大。并且,颗粒直径越大,其运动速度越小,在喷管内的滞留时间越长。颗粒直径与质量分数的变化同样会影响发动机喷管的流场结构,随着颗粒直径的增加,发动机喷管轴线处气相马赫数先减小后增大,而燃气温度则先增大后减小;发动机推力的变化趋势与马赫数变化趋势相同,但两者并不同时达到极值点。颗粒相的质量分数越大,沿喷管轴线方向的气相马赫数和发动机推力越小,喷管两相流损失越大。     

航空发动机尾喷管固体颗粒流动特性研究

为了通过发动机尾喷管内固体颗粒的荷电水平来判断发动机的故障程度,对发动机尾喷管内固体颗粒的流动特性进行研究。选取某型发动机尾喷管为研究对象,利用ICEM软件进行建模与网格划分,通过Fluent模拟仿真分析颗粒直径和初始速度对颗粒分布的影响,探讨固相颗粒产生绳流、均匀弥散流、环流及层流等流型的条件。研究表明:局部注入的颗粒分布为绳流;对于面均匀注入方式,随着固体颗粒直径增大,其分布由均匀弥散流逐渐变为环流;随着颗粒直径和速度的增加,颗粒与尾喷管壁面碰撞加剧,部分区域出现层流;当颗粒直径和速度达到一定程度时,颗粒的分布规律保持稳定。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟

为了对离子发动机光学系统进行数值分析，开发了考虑电荷交换的三维离子发动机栅极粒子模拟程序。模拟程序采用单元内粒子（PIC）方法，光学系统为双栅极结构，推进剂采用氙，总加速电压为1600V，栅极间距为1mm，粒子之间的电荷交换碰撞模型采用蒙特卡洛方法。采用链式存储结构存储粒子信息，可以实现数组式存储方法所不能实现的功能。使用粒子模拟程序对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，模拟得到了栅极间的电场分布和氙离子空间分布。模拟结果表明，在所取工作参数下氙离子全部通过了栅极孔，未撞击到栅极上，验证了参数的合理性。     

轴流风扇内部气固两相流动高速摄影实验研究

利用高速摄影技术对轴流风扇内部粒子的运动特性进行了测量。实验测量了3个圆周面内跨叶片间粒子的运动规律。所用粒子为1mm直径的泡沫球。对拍摄图像进行处理之后发现:(1)在叶轮通道内压力面一侧粒子浓度比较大, 吸力面一侧则比较小, 并且在吸力面有无粒子区存在。(2)粒子和压力面发生碰撞和反弹, 而不会和吸力面发生碰撞。(3)在压力面一侧粒子的运动速度比较低, 而在吸力面一侧粒子的运动速度比较高。      

熔盐泵外特性及内部流动的试验及数值模拟

为了揭示熔盐泵内两相流动的规律,研究了熔盐泵试验方法,得到了熔盐泵的外特性.采用粒子成像测速（PIV）技术测量了蜗舌附近熔盐泵内流动,并对熔盐泵内两相流动进行了非定常数值模拟,阐述了试验结果与模拟结果之间的差别,获得了晶体颗粒在熔盐泵内的体积分数分布,并分析了其演化规律.结果表明:熔盐泵内晶体颗粒体积分数分布较稳定,颗粒集中于叶片吸力面附近.粒径对颗粒在叶轮流道内的积聚影响比较大,粒径越大,颗粒积聚越明显.熔盐泵出口静压周期性波动,波动幅度受叶轮内颗粒体积分数分布影响.