Advances in critical technologies for hypersonic and high-enthalpy wind tunnel

Hypersonic and high-enthalpy wind tunnels and their measurement techniques are the cornerstone of the hypersonic flight era that is a dream for human beings to fly faster, higher and further. The great progress has been achieved during the recent years and their critical technologies are still in an urgent need for further development. There are at least four kinds of hypersonic and high-enthalpy wind tunnels that are widely applied over the world and can be classified according to their operation modes. These wind tunnels are named as air-directly-heated hypersonic wind tunnel, light-gas-heated shock tunnel, free-piston-driven shock tunnel and detonation-driven shock tunnel, respectively. The critical technologies for developing the wind tunnels are introduced in this paper, and their merits and weakness are discussed based on wind tunnel performance evaluation. Measurement techniques especially developed for high-enthalpy flows are a part of the hypersonic wind tunnel technology because the flow is a chemically reacting gas motion and its diagnosis needs specially designed instruments. Three kinds of the measurement techniques considered to be of primary importance are introduced here, including the heat flux sensor, the aerodynamic balance, and optical diagnosis techniques. The techniques are developed usually for conventional wind tunnels, but further improved for hypersonic and high-enthalpy tunnels. The hypersonic ground test facilities have provided us with most of valuable experimental data on high-enthalpy flows and will play a more important role in hypersonic research area in the future. Therefore, several prospects for developing hypersonic and high-enthalpy wind tunnels are presented from our point of view.     

应用低温风洞模拟热喷流

应用低温风洞模拟热喷流,是喷流模拟技术一大进步。本文讨论了喷流模拟相似参数,分析了现有冷喷和热喷技术不足,指出应用低温风洞模拟喷流的基本优点,研究表明,通过选择不同组成和组分的喷流模拟气,低温风洞可实现喷流全参数完全模拟。     

声学风洞的设计

介绍声学风洞设计理论，重点阐述流场和声场以及声学测量中值得注意的一些问题，包括；声学风洞的定义；低速声学风洞和高速声学风洞的特点，关于设计方法；全新声学风洞的设计和常规风洞改造成声学风洞，设计遇到的声折射、声散射、流动振荡，消声大厅的回流，频率范围以及风扇叶片的失速问题；试验段的霍尔数以及提高霍尔数的方法；风洞消声器及降低风洞背景噪声的方法。本文还以ＮＨ－２风洞为例，简单讨论了常规风洞改造成声学风     

大型连续式跨声速风洞热交换器概述

随着大飞机项目的启动,大型连续式跨声速风洞在国内的设计与建设已处于十分重要的时期,而作为其关键部段之一的热交换器一直是风洞设计人员关注的焦点。首先对热交换器在大型连续式跨声速风洞中的作用进行了阐述,然后介绍了国外几座典型的大型连续式跨声速风洞应用热交换器的情况,综合比较了两种热交换器的内部结构特征与性能优势,分析了热交换器在连续式跨声速风洞回路中的几种可能布局,总结出一种最优方案。最后,就国内大型连续式跨声速风洞热交换器的设计提出了几点参考意见。     

关于改造航空风洞为汽车试验风洞的技术探讨

在介绍汽车风洞性能的基础上,对改造航空风洞为汽车试验风洞的主要技术要点进行了分析探讨,并介绍了FD-09低速航空风洞改造情况及其功用。建造地面板和附面层吸除装置,证明该方案是很成功的。     

跨声速风洞槽壁干扰评估与修正技术的应用

目前先进跨声速风洞试验段多采用槽壁形式,而国内对槽壁干扰的认识较少,尚未进行过槽壁干扰的评估和修正工作。本文基于理想槽壁均匀边界条件和经典方法,利用先进构型民机标模对槽壁干扰特性进行了评估和修正,在验证方法准度的基础上,对比分析了国内2.4 m跨声速风洞和欧洲跨声速风洞（ETW）槽壁干扰的差异和规律。结果表明,修正后的试验数据与ETW参考数据吻合较好,修正量、干扰因子与ETW评估结果一致。与传统孔壁试验修正方法相比,本文方法原理清晰,计算简便、快速,可方便应用于其他类似槽壁风洞中,可作为壁压信息法的辅助手段以提高国内试验数据质量,并为国内先进跨声速风洞的设计和调试提供借鉴。     

大型低温高雷诺数风洞及其关键技术综述

随着航空运输业的发展,先进飞行器的精细化设计要求有飞行雷诺数下的气动数据为支撑。大型低温高雷诺数风洞（如ETW、NTF）是真实再现飞行器飞行状态流动特性的最佳地面试验设备。文中归纳总结了大型高雷诺数风洞的实现途径和风洞型式,分析了当前低温风洞的国内外现状,深入剖析了大型连续式低温风洞设计建设的关键技术及解决措施,对我国自行开展大型低温高雷诺数风洞的设计建设具有重要参考意义,并对成功建设我国大型低温高雷诺数风洞进行了展望。     

相阵列技术在民机机体气动噪声研究中的应用

麦克风相阵列测量技术是进行民机机体气动噪声研究的主要手段。针对民机机体气动噪声,开展了闭口风洞麦克风相阵列测量技术研究。提出了一种适用于闭口风洞气动噪声测量的阵列优化设计方法,分别设计了适用于民机增升装置、起落架气动噪声测量的阵列。将麦克风相阵列技术应用于某飞机增升装置缩比模型、起落架缩比模型气动噪声闭口风洞试验。研究结果显示：利用侧壁阵列清晰地识别出了增升装置主要气动噪声源,并显示出降噪措施的降噪效果;利用组合阵列,实现了较宽频率范围内起落架气动噪声源探测,识别出了起落架主要气动噪声源。     

小展弦比飞翼标模三座高速风洞气动力数据相关性研究

为研究飞翼布局模型在不同风洞的测力试验数据的相关性,分析飞翼布局模型风洞测力试验精度水平,为以融合体飞翼布局为代表的未来作战飞机气动力试验精度提供参考,采用同一台测力天平及外形相同的尾支杆在国内三座1．2 m 风洞中对小展弦比飞翼标模进行了重复性试验和对比试验。试验结果表明,小展弦比飞翼标模风洞测力试验精度及不同风洞数据相关性与飞翼布局流动特性关系较大,在小迎角附着流状态,不同风洞的数据相关性较好,测力精度较高,随着迎角的增加,飞翼布局背风面前缘涡会发生破裂,涡破裂后不同风洞的数据相关性和试验精度都有不同程度的降低。跨声速条件下由于飞翼布局背风面复杂的流动特性,使得其试验精度较超声速略差。不同风洞数据的差异主要体现在升力特性拐点起始迎角、近声速附近马赫数的零升阻力系数和零升迎角方面。     

燃烧加热类高超声速高温风洞流场校测与评估

为建立统一的燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质评价标准,针对国内6座不同喷管出口直径的燃烧加热类高超声速高温风洞,从统一的皮托压探针、总温探针和流场校测排架设计出发,分别研制了流场校测装置,完成了典型试验状态的流场校测试验。根据相同的数据处理和分析方法得到了相关风洞喷管出口截面的速度场、温度场及均匀区信息。6座风洞速度场均匀区直径分别对应喷管出口直径的73.3%、76.5%、75.0%、80.0%、74.7%、83.3%。根据各风洞流场校测结果,初步掌握了国内同类型风洞流场品质整体水平,提出了当前燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质参考评价指标。对于马赫数4.5~6.0的试验状态,风洞速度场均匀区直径应不小于喷管出口直径的70%,均匀区内马赫数标准偏差与平均马赫数的比值应小于2%,总温标准偏差与平均总温的比值应小于5%。     

An optical angle of attack sensor

A major source of transonic and supersonic wind-tunnel test data uncertainty are angle-of-attack-measurement errors caused by unknown sting and balance deflections under load. Since dynamic loads in pressurized or cryogenic wind tunnels generally exceed those in conventional low-speed atmospheric wind tunnels, the need to account for these distortions during model testing is even more acute. A novel laser-based instrument for the in-situ measurement of wind-tunnel-model angle of attack that enables continuous, time-dependent measurements to be made without signal dropout is described. Proof-of-concept experiments, along with the results of recent measurements conducted at the NASA Ames 9-ft×7-ft supersonic wind tunnel, are presented. Experiments were also conducted to determine the reliable range, sensitivity, and long-term stability of the instrument. The results show that 0.01° sensitivity can be achieved and that optical and detector packaging requirements are less stringent than those for current tilt-sensor or accelerometer model installations     

介质弹性对风洞液压控制系统影响的分析与测试

电液伺服系统广泛应用于风洞各种执行机构的控制中。随着风洞试验技术的发展,以及对机构小型化的要求,电液伺服系统的工作压力、控制精度不断提高。这种情况下,液体的弹性是不能忽略的。本文提出对液体体积弹性模量进行测试的两种工程方法,并进行了实际测量。对于风洞常用电液伺服系统,液体体积弹性模量在900～1000MPa。针对某风洞执行机构调试中发生的问题,利用油液弹性模量的测量结果进行了计算、分析,结果与现象吻合。     

光学头罩超声速绕流流场光学传输效应风洞试验研究

在Ma=3连续超声速风洞中,开展了光学头罩绕流流场光学传输效应的风洞模拟试验方法研究,进行了现场振动测量与隔离,研制了专用试验装置,采用哈特曼传感器和剪切干涉仪两种手段进行了光学传输效应的试验测量。试验中,针对试验装置各部分的不同组合状态,进行了大量的测试,研究了试验装置有效性以及试验数据重复性,着重分析了探测光束的PV值与RMS值。结果表明：导流板可明显抑制风洞洞壁边界层干扰,试验装置与方法可行,对于连续式风洞中模型绕流流场光学传输效应测试有一定参考价值。     

小型推进系统进发匹配高速风洞特种试验技术研究

为检验弹类等小型飞行器推进系统的进气道与发动机工作匹配特性,在暂冲式高速风洞研制了适于小型推进系统进发匹配测试的特种试验技术.研究分析了小型推进系统进发匹配高速风洞试验模型和支撑系统气动和结构问题,给出了试验方案与试验流程,解决了环境污染、试验安全性、模型热防护等关键技术问题.试验表明利用现有暂冲式风洞,能够在地面试验阶段解决小型推进系统进发匹配问题,实现发动机高空试验台或推进风洞的进发匹配试验功能,能为小型推进系统在模拟外流条件下的进发匹配测试提供良好的试验环境,具有工程应用价值.     

声爆近场空间压力风洞测量技术

针对暂冲式超声速风洞中的声爆试验，发展了近场空间压力精确测量技术，以航空工业空气动力研究院的FL-60风洞为例，开展了技术验证。FL-60风洞是一座典型的亚跨超三声速下吹式风洞，其试验马赫数范围为0.3~4.2，试验段尺寸为1.2 m×1.2 m，单车次试验时间通常为数十秒。根据暂冲式风洞试验时间短、耗气量大等特点，设计了无反射测压轨以代替传统的静压探针，大幅提高了声爆近场空间压力的测量效率。通过CFD技术对无反射测压轨的流动特性、模型安装位置以及风洞试验段中的波系进行了分析，验证了测压轨设计方案的可行性。采用Seeb-ALR低声爆标模和自行设计的带喷流的旋成体模型进行了验证性试验，采用参考车次方法和空间平均技术获得了高质量的数据，试验测量结果与CFD计算结果一致性较好，验证了声爆近场空间压力测量系统设计的合理性。     

应用于飞行器风洞试验的绳牵引并联机构技术综述

首先概述了法国航空局SACSO项目关于绳牵引并联机构应用于飞行器风洞试验的研究工作,然后从六自由度绳牵引并联机构的结构设计、运动学及性能分析、工作空间的分析与综合、静刚度分析、运动控制和力控制等六方面,详细分析了六自由度绳牵引并联机构应用于飞行器风洞试验中的关键技术。分析结果表明:六自由度绳牵引并联机构必须根据飞行器的类型,以工作空间大小为依据进行构型设计;其运动控制方案可借用PID控制或自适应控制,其优点是便于动力学模型的线性化和解耦;其力控制方案可借用经典的阻抗控制和力/位置混合控制,但适用于飞行器风洞试验的六自由度绳牵引并联机构的更完善的力控制策略还有待进一步的研究。     

近年来我国风工程研究的进展

本文简要介绍了最近十余年来我国风工程的研究活动,包括研究设备和研究成果的进展。文后列有较详细的有关文献。     

Magnetic suspension and balance systems

Conditions necessary for controlled magnetic suspension are reviewed, and various types and configurations of systems are described. The principal components of these systems are discussed. The use of magnetic suspension and balance systems in wind tunnels is then considered, and some aerodynamic results are examined     

Experimental studies of free flow boundaries influence upon aerodynamic characteristics of the clean large-scale models

In this paper, the expediency of increasing the relative sizes in clean models of wings and aircraft layouts in the low-speed open working section wind tunnels with a circular nozzle section is considered. Also determined is an additional correction, which makes it possible to take into account the external atmospheric pressure influence upon the aerodynamic characteristics of large-scale models and enhance the efficiency of the low-speed wind tunnels.     

风洞虚拟飞行试验技术初步研究

介绍了在航天空气动力技术研究院FD-10低速风洞中建立的风洞虚拟飞行试验系统,和对风洞虚拟飞行试验技术进行了验证性研究的情况。研究的目的是探索风洞虚拟飞行试验技术的原理和关键技术,包括组合式滚转轴承系统和舵面作动系统的缩比模型以及悬挂支撑系统技术。分别进行了模型滚转运动和偏航运动的风洞试验,对模型姿态随舵偏角变化的实时响应进行了风洞试验研究,验证了虚拟飞行的可行性,为建立生产型风洞的虚拟飞行试验装置打下了基础。