10°尖锥气动特性边界层转捩诱导量的测定研究

本文用风洞实验的方法在国内外首次测出了１０°尖锥气动特性的转捩诱导量，包括转捩诱导法向力及其作用点，转捩诱导俯仰力矩和尖锥压心的转捩诱导量。研究结果表明，这些转捩诱导量随Ｒｅ数的变化趋势合理，具有确定的规律性。研究认为，这些转捩诱导量产生的原因是细长锥边界层转捩的不对称性。利用这些结果，可以很好地解释边界层转捩何以对细长锥的气动静稳定性和气动稳定性产生极为显著的影响以及静、动稳定性转捩诱导量之间的相关现象。此外，这个研究结果还有助于证明边界层转捩将影响物面的压力分布。本研究是在Ｍ＝５，α＝０°的流场中完成的，实验的Ｒｅ数范围为ＲｅＬ＝２．８×１０６～１３．８×１０６。     

高超声速边界层转捩特性试验探究

通过在激波风洞中开展转捩试验,选取来流马赫数分别为6和8,单位雷诺数分别为4.1×10 6m -1 、2.6×10 7m -1 和4.4×10 7m -1 的来流条件,研究马赫数、单位雷诺数以及攻角变化对钝锥边界层和平板边界层转捩位置的影响。结果表明,攻角增大使钝锥迎风面和背风面边界层转捩位置均前移,使平板边界层转捩位置也前移;钝锥边界层在低马赫数时更容易转捩,平板边界层转捩受马赫数影响在攻角有差异时有所不同;单位雷诺数的增大促进转捩,但对于钝锥边界层而言,该参数增加到试验选定的上限时,转捩位置的变化并不明显;在转捩过程中平板边界层的脉动压力系数与热流具有相同的变化趋势。试验捕捉到了第二模态扰动。     

转捩诱导法向力及其对细长尖锥气动特性的影响

边界层转捩时,是否会出现诱导法向气动载荷,这是一个很有意义的问题。本文介绍了在高超音速风洞中完成的静态气动力实验与动态气动力实验,它证实这种诱导法向载荷是存在的,是边界层转捩的不对称性造成的,并对细长锥的气动特性有明显而呈规律性的影响。     

飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响

研究了飞行高度对高超声速钝锥边界层稳定性及转捩的影响。通过求解三维可压缩Navier-Stokes方程计算了来流Ma=6,半锥角为7°的钝锥在飞行高度20~40 km条件下的基本流场,利用线性稳定性理论（LST）研究了飞行高度对钝锥边界层流动稳定性的影响,最后采用e N方法进行了转捩预测。研究发现,随着飞行高度的增加,流向不稳定N s值和横流不稳定N cf 值均减小,由横流不稳定性引起的圆锥表面大部分区域转捩逐渐转变为流向扰动引起迎风面转捩横流扰动引起背风面转捩,继而横流扰动消失,流向不稳定波引起迎风面转捩。     

激波风洞边界层强制转捩试验研究

针对升力体模型设计了涡流发生器,在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)Φ2 m激波风洞上开展风洞试验,研究了高超声速边界层强制转捩问题。试验来流名义马赫数分别为10、12,单位雷诺数分别为2.4×10~/m、2.1×10~6/m,模型攻角10°。试验中应用铂薄膜热流传感器技术和温敏热图(TSP)技术测量了模型表面热流,证明涡流发生器实现了模型边界层强制转捩,使Φ2 m激波风洞拥有了模拟高马赫数低雷诺数湍流边界层的能力。试验结果表明,不同形状不同高度涡流发生器对边界层完全转捩成湍流后的热流影响不明显,由此可提出一种新的激波风洞试验方法,即利用涡流发生器开展相同来流条件下不同边界层流态对模型表面热流等边界层参数分布影响的试验研究。     

类HTV-2横侧向稳定性研究

针对HTV-2类飞行器存在的横侧向稳定性差的问题,通过风洞试验、模态分析和参数敏感性分析方法研究了类HTV-2飞行器的横侧向稳定性。研究结果表明：与偏航方向相比,滚转静、动稳定性都更弱,表现为：攻角小于10°滚转方向是静不稳定的;在滚转动态试验中,振动曲线随时间不是呈现收敛趋势,而是出现明显非线性多频谱周期性特征。通过在模型前体布置顺气流纵向绊线促使流动对称转捩的方法,增加了滚转曲线的线性和横侧向稳定性。横侧向模态和参数敏感性分析表明,滚转模态随时间缓慢发散,系统对偏航静稳定性等参数比较敏感。     

粗糙物面引起的超声速边界层转捩现象研究

采用风洞实验和数值模拟方法研究平板表面圆柱形粗糙单元引起的M=3超声速边界层转捩问题。实验采用纳米粒子示踪平面激光散射技术（NPLS）对流动结构进行测量。共考察了1mm、2mm和4mm三个不同的粗糙度条件。采用五阶精度加权紧致非线性格式（WCNS-E-5）对风洞实验进行数值模拟和对比。实验及计算表明：粗糙元对边界层干扰后诱导了尾迹流向涡的形成,流向涡通过抬升机制产生剪切层和流向速度条带等不稳定结构;实验流动图像显示,剪切层不稳定在边界层转捩过程中起重要作用;随着粗糙元高度增加,流动分离范围和转捩区域明显扩大,转捩位置有提前的趋势。     

液氢空化流动特性研究

对液氢空化流动的实验数据进行了统计分析,数值计算了大范围温度变化下液氢空化流动的变化特征。结果表明采用的数值计算方法计算结果与实验数据吻合良好。随着温度变化,液氢空化流动存在两种空化行为。当温度低于转捩温度时,空化行为的变化受液/汽密度比控制,空穴面积随温度的增加而增加;当温度高于转捩温度时,空化行为的变化热力学效应控制,空穴面积随温度的增加而减小。空化数和来流速度越大,转捩温度越高。     

高超声速边界层转捩高速纹影显示

为建立适用于激波风洞边界层转捩测量的高速纹影显示技术，在Ma10条件下，采用高速纹影显示技术，研究了半锥角7°钝锥边界层中第二模态不稳定波的演变特性。试验在中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所(HAI)的FD-14激波风洞上进行。试验来流单位雷诺数为4.9×10 6 m -1 、1.6×10 7m -1 ，模型攻角0°，头部钝度有0.2 mm、0.5 mm和2 mm三种。通过对纹影图像灰度进行功率谱密度(PSD)分析得到了第二模态不稳定波的波长，对不稳定波纹影图像进行互相关分析计算了不稳定波的传播速度。基于纹影显示结果计算的第二模态波主频与PCB压力传感器测量结果符合较好，证明了纹影测量的可靠性。     

火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术

为获得火星探测器物伞系统动力学仿真中需要使用的降落伞轴向力、法向力、俯仰力矩系数,开展了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验技术研究,研制了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验装置,进行了火星探测降落伞模型高速风洞变迎角试验,获得了火星探测降落伞模型在马赫数范围0.4～0.8、迎角范围0°～25°时的轴向力、法向力和俯仰力矩系数,并对支撑干扰及洞壁干扰影响进行了扣除修正。试验结果表明：火星探测降落伞模型的轴向力系数随迎角变化较小;常规透气伞的法向力系数随迎角增大而增大,在马赫数为0.4和0.6时,低透气伞的法向力系数在小迎角时随迎角增大而减小;在马赫数范围0.4～0.8时,常规透气伞静稳定,低透气伞的静稳定性较常规透气伞减小,在马赫数为0.4和0.6时,低透气伞在零迎角时静不稳定,出现了非零配平 迎角。     

小不对称物体配平性能风洞实验研究

用阶跃响应法,在风洞中测量小不对称物体配平性能的实验原理、实验装置、数据处理及部分实验结果。 模型支承于空气静压轴承。在模型内部设有电磁机构,在一次吹风中,可以阶跃方式多次提供不对称量。由高精度、非接触的感应同步器数字测量模型俯仰角变化历程。用修正Newton-Raphson法处理数据,求出小不对称量引起的配平角δ_o、俯仰力矩C_mo和气动刚度C_ma、气动阻尼C_mq等参数。 对11°斜切锥,钝度比分别为0.06及0.16的模型进行了风洞实验。实验M数为33.5和4。实验结果表明,所采用的实验原理、设备及方法可提供较好的精度及分辨率。实验还求出了配平性能(δ_o,C_mo)以及C_ma,C_mq随M数的变化。     

有迎角旋转钝锥的烧蚀滞后滚转力矩的算法

有迎角的再入旋转钝锥由于周向烧蚀滞后将产生滚转力矩。在烧蚀滞后滚转力矩的计算方法中。本文主要介绍滞后引射率和粗糙度对壁面磨擦系数联合影响的一种快速计算方法。给出计算结果与实验数据的比较，分析烧蚀滞后滚转力矩的模数随飞行参数的变化。     

差分流量调节推力矢量控制研究

为了了解差分流量调节实现推力矢量控制的特点,参考塞式喷管发动机XRS 2200的工作参数,对多单元直排型塞式喷管模型发动机进行了数值计算。介绍了差分流量调节的计算方法和内喷管与塞锥推力矢量变化的分析过程,计算产生的俯仰力矩。结果表明,差分流量调节时,塞式喷管轴向合力基本保持不变,不损失轴向推力性能;俯仰力矩包括轴向力和侧向力产生的两部分力矩,随差分流量调节增大而增加,有很好的偏转性能。结论可以为差分流量调节的实验研究提供参考。     

带辅助安定面平流层飞艇的航向静稳定性分析

为增强平流层飞艇航向静稳定性,在不显著增加飞艇重量前提下,提出一种带辅助安定面的飞艇气动布局。建立飞艇计算模型,数值模拟飞艇在不同侧滑角、俯仰角下航向静稳定性及气动阻力特性,并与未集成辅助安定面的飞艇进行对比,最后分析辅助安定面面积对航向静稳定性的影响。结果表明：带辅助安定面的飞艇气动布局具有较好的航向静稳定性。相同条件下,随着侧滑角增大能够更快地达到航向稳定;在30°侧滑角,辅助安定面与尾翼面积比值大于0.05时,偏航力矩系数由无辅助安定时-0.8增加为正;辅助安定面面积越大,偏航恢复力矩越大,航向静稳定性越好。     

扭曲尾翼弹箭的马格努斯数值研究

为提升掠飞攻顶弹箭较高转速下的飞行稳定性,运用数值计算方法研究了弹体-扭曲尾翼组合体在飞行过程中的马格努斯效应气动机理,并应用标准尾翼弹(BFM)模型的实验数据对数值方法进行了验证。分别研究了带有平板尾翼和扭曲尾翼弹体模型的马格努斯力和力矩随攻角的变化规律,并针对弹体弹翼组合体产生马格努斯效应的机理深入分析。结果表明,扭曲尾翼可有效改善翼面的压力分布,并降低弹体对翼面马格努斯效应的干扰,在大攻角时其表现更胜一筹;弹体所受马格努斯力较大,主要集中在受到涡对称畸变的尾锥部;尾翼主要由于弹体干扰以及几何外形的影响马格努斯力集中在尾部,两者产生的马格努斯力矩数值相差不大,但方向相反。     

碳化硅纤维增强铝复合材料疲劳性能及疲劳破坏机理研究

介绍了SiC/Al复合材料单向板和正交板试样的拉—拉疲劳特性和疲劳破坏机理研究结果。研究结果表明,SiC/Al板试样拉—拉循环5×10~4次后,其剩余静拉伸强度系数超过0.87,随着循环应力水平的提高,材料的剩余静拉伸强度几乎没有变化,但声发射信号的起始峰值向应变增大方向移动;疲劳将导致复合材料表面产生温升,通过测量材料表面温度的变化,可以提前预告SiC/Al复合材料的疲劳破坏。     

磁悬浮控制力矩陀螺的动框架效应及其角速率前馈控制方法研究

在磁悬浮控制力矩陀螺中,局限于磁悬浮轴承系统的动态响应速度,框架的转动将使转子轴的角位移和轴心跳动量显著增大(动框架效应),甚至碰撞保护轴承,严重影响磁悬浮系统的稳定性。本文建立框架转动时的磁悬浮转子相对运动模型,分析了框架转动对磁悬浮转子的单方向作用,在Simulink仿真的基础上提出一种抑制动框架效应的角速率前馈控制方法。实验结果表明,磁悬浮轴承采用角速率前馈控制后,转子跳动量被抑制到原来的18％,大大提高了控制力矩陀螺磁悬浮系统的稳定性,同时还改善了控制力矩陀螺的力矩输出特性。     

螺纹机用丝锥的设计与制造

为解决2Cr13材料工件的高速攻丝,经分析2Cr13切削加工、螺纹切削加工、零件结构与机械攻丝的特点,设计制造M10×0.5和M12×0.76丝锥。该丝锥采用右旋螺旋槽,螺旋角35°、前角6°、后角2°30′、后刃外角90°、切削锥角因零件空刀槽的限制定为11°、各齿等分允差±10′,采用斜向铲磨法加工制作。使用中又有正确工艺措施使该种右旋螺旋槽机用丝锥达到每个攻制40Q余个螺孔的水平。     

MSCMG框架伺服系统非线性摩擦力矩建模与实验研究

在磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)中,由于陀螺耦合力矩的影响,使得陀螺框架系统的摩擦力矩随着陀螺输出力矩和框架角位置的不同而发生变化,为了实现控制力矩陀螺输出力矩的高精度控制,需要对摩擦力矩进行精确建模。对控制力矩陀螺框架系统进行了动力学研究,分析了摩擦力矩随陀螺输出力矩和框架角位置的变化机理和变化规律,并据此建立了磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的非线性摩擦力矩模型和非线性动力学模型。用实验数据对非线性动力学模型参数进行了最优最小二乘辨识,并用所得到的模型进行实际数据分析和仿真研究,仿真结果与实际实验数据非常吻合,验证了所建立模型的正确性和有效性。     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内,通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术,分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析,得到了边界层中扰动波的发展规律,定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中,其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小;特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz,前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm,前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm );后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游,边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比,两者吻合较好。