高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统

为得到高速飞行器表面各部分的热应力，应变，结构膨胀量等高温力学性能参数，须建立高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统。针对高速飞行器气动模拟试验瞬态热控过程所具有变化复杂，高度非线性，瞬变，强耦合的特点，将模拟控制方法应用于瞬态气动热模拟控制系统。该系统能够按照高速飞行器飞行过程中表面热流和温度的瞬态连续变化对气动模拟加热过程实施快速，准确的动态控制。     

高超声速飞行器表面测热技术综述

高超声速飞行中飞行器表面气动加热量是飞行器热防护系统最为关键的设计输入,在理论计算与地面模拟的有限近似条件下,通过飞行试验实时获取真实环境下飞行器表面的气动加热量,并在此基础上完成对计算模型与地面试验的验证与改进具有重要意义。详细列举了20世纪50年代以来,国外具有代表性的飞行试验与测热方案。以“内置式”与“嵌入式”作为测热技术的分类特征,介绍了各类测试设备及相应的飞行试验结果。着重分析了“热匹配性”与“结构匹配性”作为关键因素对飞行测热技术的影响,通过飞行试验实例介绍了该问题的解决方法及工程经验。归纳了飞行测热技术发展的共性、特点与未来趋势,并结合当前我国发展现状,对该领域未来研究提出建议。     

热颤振地面模拟试验技术

地面颤振模拟试验是一项以真实飞行器结构作为试验对象，并利用激振器模拟非定常气动力的颤振验证试验技术。本文通过在地面颤振模拟试验的基础上引入热环境模拟设备，进一步研究热颤振地面模拟试验技术。建立了综合考虑多工况的气动插值点优化方法，然后利用Kriging代理模型构建了适用于时变温度场中结构的非定常气动力降阶模型，同时设计了气动加热环境地面模拟及热环境下结构的激励与响应测试方案，最终基于钛合金机翼模型搭建了热颤振地面模拟试验系统，并对时变颤振边界进行跟踪测试。试验结果表明，在激振力控制器的设计控制频带内试验结果与仿真结果吻合较好，但鲁棒控制器较窄的控制带宽限制了热颤振地面模拟试验的适用范围。     

锯齿冠叶片瞬态热应力模拟试验

锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程中会产生较大的热应力。这种热应力与离心应力、气动应力合成的综合应力可能引起涡轮叶片的低循环疲劳失效。建立了瞬态温度场的热传导、热弹性相似关系 ,通过满足热相似条件的热模拟试验 ,分析了某型锯齿冠涡轮叶片在发动机起动过程的瞬态热应变和热应力 ,其结果为分析该型叶片的低循环疲劳失效原因提供了依据 ,同时讨论了叶冠结构因素对热应力的影响。     

结构热试验中的加载技术

结构热试验是为了解决飞行器在高速飞行时出现的“热障”问题而发展起来的地面模拟试验技术，通过模拟飞行器在飞行中的热环境和气动载荷来检验其对飞行器结构的影响。针对结构热试验中的几种加载方式进行了探讨，并在头锥热载联合试验及仪器舱热在联合试验中进行应用。     

高超声速典型弹道下的壁板热气动弹性动力学分析

对高超声速流中带有热防护系统（TPS）的二维壁板进行了热气动弹性的双向耦合建模与分析,采用三阶活塞理论计算气动力,通过参考焓法获得气动热流,在有限差分法的基础上进行结构热传导计算,拟合了结构材料特性随温度退化的曲线,最后将气动热模块、气动弹性模块进行双向耦合以考虑气动热与结构形变之间的相互反馈,并在2种典型弹道状态下进行热气动弹性响应分析。结果表明,在X-34A的设计弹道下,双向耦合分析会引起更加剧烈的热应力与热弯矩的变化与较长的瞬态混沌过程。在FALCON弹道下,双向耦合得到的结果加热更为剧烈,而温度下降的过程也更快。对比2种弹道发现,长时间的高超声速飞行更容易引发颤振,而机动性较强的弹道面临的主要问题则是屈曲,需要考虑材料的应力及强度特性。同时说明了双向耦合策略对于现代飞行器在弹道状态下工作的热气弹响应分析的必要性。     

热环境下结构固有振动特性试验及分析

高超声速飞行器在气动热环境中,其固有频率和振型会受温度升高的影响而发生变化,从而其颤振特性也要发生改变。本文建立了适用于工程应用的飞行器翼面结构热模态试验方法及试验装置,为验证该方法的有效性,针对高超声速飞行器翼面结构特征,设计和制造了钛合金翼面盒段试验件,测试了高温环境翼面热模态。开展了单面加热、双面加热、温度呈梯度分布加热和随时间变化加热等几种加热方式对比试验,试验结果表明,温度升高对结构模态特性影响明显;且该试验方法具有很高的工程实用价值,可应用于飞行器翼面结构热模态试验;同时,建立了试验件有限元模型,开展了热模态分析,对试验结果和分析结果进行了对比分析和讨论,结果具有较高的一致性。     

细长体飞行器自由边界热模态试验与仿真

随着耐热承载一体化材料在新型高超声速飞行器上的应用,承力结构的工作温度不断提高,各类热模态特性逐渐得到关注。针对非平面形状的细长体飞行器自由边界条件下的热模态特性开展了研究。通过研究模拟气动加热条件的圆筒形加热笼、模拟自由边界的耐高温柔性支撑、非接触激光多普勒测振、耐高温激振杆激励等试验方法,获得了细长体结构自由边界条件下随温度变化的前3阶模态变化情况。结果表明：对此类薄壁长圆筒类结构,温度升高对模态频率影响可以超过6 Hz。开展有限元仿真,并与试验取得的热模态结果的变化规律进行对比。结果表明：建立考虑温度对结构弹性模量、热应力影响的壳单元模型,能够较好地预测出前3阶模态频率在全部受热时间范围内的最大下降量,可为高超声速飞行器控制系统设计时的拉偏范围提供参考。     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一。针对CARDC吸气式高超声速实验室（AHL）自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDC600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果。结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据。     

小尺寸应变天平设计方法研究

Φ0.3m高超声速低密度风洞测力试验模型尺寸小、天平载荷小、流场总温高,天平防热结构设计难,刚度要求和灵敏度要求矛盾突出,测力天平的研制难度大。采用数值仿真和风洞试验相结合的研究方法,对应用于该情况下的内式天平在温度影响和结构设计方面进行了研究。采用有限元方法对天平温度影响和结构应力分布做了详细分析,并对分析结果进行了风洞试验验证。结果表明：在实现天平结构优化设计及提高天平设计的准确性和可靠性方面,有限元分析设计方法是非常有效的技术途径。     

风洞应变天平装配应力分析

天平在风洞模型安装过程中由于加工误差通常会产生装配应力,对元件输出值存在干扰,影响测量准度。针对此现象,采用有限元仿真方法,在保持天平总长度不变前提下,研究不同天平元件固支端长度对装配应力带来的测量准度影响情况。结果表明：只要存在装配应力,天平测量结果就会产生变化,而元件固支端长度大小对其无明显影响。因此,在风洞天平设计或实验中,提高测量准度的方法是采取措施尽可能减小天平安装产生的附加应力,而不是改变元件固支端长度。     

热声载荷下薄壁结构振动响应试验验证与疲劳分析

由于热声环境下金属薄壁结构表现出复杂的大挠度强非线性振动响应特性,影响结构的疲劳性能与寿命,结合有限元法与降阶模态法对四边固支高温合金矩形薄壁结构的热声响应进行计算。结果研究发现:屈曲后结构出现跳变运动且应力循环呈三角状分布,热声载荷的相对强弱决定了跳变形式。采用改进雨流计数法、Morrow平均应力模型、Miner线性损伤累积理论计算热声疲劳寿命,屈曲前到临界屈曲时应力循环损伤量级显著增大,由10-5增大到10-4,寿命随温度增加呈先减小后增加趋势。开展薄壁结构热声试验,并将仿真计算结果与试验结果进行对比,结果表明结构的模态频率偏差不超过1Hz,动态应变响应结果的量值相当,验证了薄壁结构热声响应计算方法与模型的有效性。      

A scaling procedure for measuring thermal structural vibration generated by wall pressure fluctuation

This paper attempts to develop a scaling procedure to measure structural vibration caused simultaneously by wall pressure fluctuations and the thermal load of hypersonic flow by a wind tunnel test. However, simulating the effect of thermal load is difficult with a scaled model in a wind tunnel due to the nonlinear effect of thermal load on a structure. In this work, the temperature variation of a structure is proposed to indicate the nonlinear effect of the thermal load,which provides a means to simulate both the thermal load and wall pressure fluctuations of a hypersonic Turbulent Boundary Layer(TBL) in a wind tunnel test. To validate the scaling procedure,both numerical computations and measurements are performed in this work. Theoretical results show that the scaling procedure can also be adapted to the buckling temperature of a structure even though the scaling procedure is derived from a reference temperature below the critical temperature of the structure. For the measurement, wall pressure fluctuations and thermal environment are simulated by creating hypersonic flow in a wind tunnel. Some encouraging results demonstrate the effectiveness of the scaling procedure for assessing structural vibration generated by hypersonic flow. The scaling procedure developed in this study will provide theoretical support to develop a new measurement technology to evaluate vibration of aircraft due to hypersonic flow.     

热风洞中涡轮叶片温度场红外热像测量方法

提出了在热风洞中利用红外热像来测量涡轮叶片表面温度场的方法.针对热风洞特有的干扰因素,即石英玻璃窗口的透射比随着叶片表面温度变化以及燃气中的二氧化碳和水蒸气等组分参与热辐射所带来的干扰,在取得红外热像后按照燃气工况对温度场测量结果进行综合修正.考虑到叶片表面曲率的变化,通过几何上的变换重现了实际叶片表面上的温度场.结果表明:在热风洞的叶片温度场的红外热像测量中存在着110~140K的修正量.高温燃气环境中的红外热像测量结果必须按工况进行修正.      

高温热管在热防护中应用初探

介绍了高温热管在热防护中的应用原理,并利用电弧加热风洞产生的高温、高速气流,模拟高超声速飞行器高温区的气动加热环境,对一种装有高温热管的简单的球柱形原理性模型进行了加热试验。利用高温红外测温装置对模型表面的温度进行了测量,通过与普通复合材料制成的模型试验结构的对比分析,发现高温热管能够有效地将模型高温区热量传导到低温区,装有高温热管模型的驻点温度明显降低,显示出了良好的防热效果。     

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

基于高温瞬态热响应的石英窗口导热系数反演

提出一种利用高温加热下瞬态热响应信息来同时反演石英窗口在不同温度下导热系数的方法。结合实验测试过程,首先建立石英窗口-石墨板-石英窗口三明治结构高温非灰体辐射-导热耦合传热模型。再通过实际测试温度响应结果和材料光谱辐射特性参数,构建石英窗口导热系数的遗传算法反演辨识模型。采用1 100 K加热条件下实验数据,反演辨识获得了常温至1 100 K石英窗口导热系数介于1.35~2.58 $\mathrm{W}/(\mathrm{m}?\mathrm{K})$,并拟合出高温导热系数关联式。结果表明:该材料辐射对导热系数影响随温度升高而增大,在1 100 K下辐射影响占比16.12%。最终通过变工况的高温传热过程测试,验证了方法的可靠性及导热系数数据的准确性。      

数字散斑相关方法用于圆盘表面热变形测量

为了克服压力应变片测量热变形的不足,采用DSCM(数字散斑相关方法)对静止空心圆盘仅承受外缘热载荷时的表面热变形进行实时测量.实验系统中,采用电磁感应加热方式实现圆盘热边界条件的加载,并通过红外热像仪采集圆盘的实时温度分布数据.同时,为提高DSCM的测量精度,从CCD(charge coupled device)相机视场范围的选取、中焦距微距镜头的使用以及光源的布置等方面来降低离面位移和散斑质量等误差因素的影响.盘面热变形 位移的实验结果与理论结果的对比显示,两者符合较好,但仍存在一定偏差,最大绝对偏差为6μm,最大相对偏差为31%;盘外缘绝对偏差较大而相对偏差较小,盘内缘反之.对比结果验证了DSCM用于圆盘表面热变形测量的可行性,从而为涡轮盘盘面热变形研究提供了一种有效的实验工具.      

石墨圆周密封热 结构耦合分析

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热 结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,使密封环在此处所受气体不平衡力较大引起的。辅助密封面受载荷力矩作用引起应力分布不均,导致不平行密封缝隙出现,影响密封性能。密封环温度场分布均匀,主密封面的温度高于辅助密封面,接头搭接处接触面积大,温度显著升高。热效应对石墨圆周密封性能影响不容忽视,考虑热效应作用时,密封环应力值产生了一个数量级的升高,并使最大应力区域自主密封面接头边缘处向中心附近移动。