(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

复合材料层合结构低速冲击后的渗漏性能

对复合材料贮箱结构进行低速冲击试验,并测试冲击后贮箱结构的渗漏性能。试验结果表明,当层板内部的基体损伤和分层损伤构成贯穿的通路后即导致贮箱渗漏,并且贮箱结构的冲击能量渗漏门槛值介于23~25J之间。在试验基础上建立了有限元模型以分析冲击后贮箱结构的内部损伤情况,并判断结构是否渗漏,计算结果与试验吻合良好。在计算模型的基础上对曲面贮箱结构的冲击渗漏性能进行分析。     

T-1A型高精度绝对重力仪

高精度绝对重力仪用于测量地球表面的重力加速度（g,常用值9.81 m/s2）,在精密计量、大地测量、地球物理、资源勘探等领域具有广泛应用。近年来,清华大学自主研制完成T-1与T-1A型高精度绝对重力仪,采用新型的自由落体装置、激光干涉测量技术和信号处理方法,可实现微伽量级不确定度的精密重力测量。本文主要介绍T-1A型高精度绝对重力仪的系统技术和测试结果,经过进一步工程化改进,该仪器有望实际应用于重力计量、地震研究等领域。     

角振动校准装置研究

为提升对惯性器件的动态性能评价能力,通过对被校传感器施加标准正弦角振动激励,精确测量角振动过程,实现了对角振动传感器的校准。基于不同频段的特点,将校准频段划分为低频和高频2部分,并提出空气轴承与无刷直流力矩电机相结合的低频角振动台方案,以及轻质空心杯精密空气轴承与框式电磁驱动结构相结合的高频角振动台方案;分别采用精密角度编码器和衍射光栅激光干涉仪实现对低频和高频角振动的测量,成功研制出频率范围为0.25~550Hz、角加速度范围为0.1~1 760rad/s2以及角速度波形失真小于2%的角振动绝对法校准装置。与德国国家物理技术研究院的角振动校准装置相比,该装置能够显著提升承载能力,可广泛用于惯性器件动态性能的测试与评价。     

表面处理对17-4PH不锈钢抗固体粒子冲蚀性能的影响

为对比研究表面处理对17-4PH不锈钢抗固体粒子冲蚀性能的影响,在17-4PH不锈钢表面进行了多弧离子镀陶瓷/金属多层膜制备、激光表面合金化(LSA)处理和超音速火焰喷涂(HVOF)硬质合金层处理,利用划痕仪、自组装的不锈钢抗固体粒子冲蚀(SPE)装置、多冲疲劳试验机对上述三种表面处理试样的小攻角和大攻角SPE失效行为和机理进行了研究。结果表明,微切削是17-4PH不锈钢及其表面改性试样小攻角下固体粒子冲蚀破坏的主要失效机制,多冲型疲劳破坏是17-4PH不锈钢及其表面改性试样大攻角下固体粒子冲蚀的主要失效机制。HVOF WC-17Co涂层可显著提高17-4PH不锈钢30°小攻角和90°大攻角下SPE抗力。激光表面合金化层能够改善17-4PH不锈钢抗30°小攻角和90°大攻角下SPE性能,但SPE性能改善效果弱于HVOF喷涂涂层。TiAl N/Ti多层膜不能显著提高17-4PH不锈钢抗30°小攻角和90°大攻角的SPE性能。     

6061铝合金激光穿透焊的焊缝成形

分别采用光纤激光和YAG激光对2.5mm厚的6061铝合金开展了激光穿透焊接试验,研究了主要焊接参数对焊缝成形的影响规律。结果表明,与YAG激光相比,高能量密度的光纤激光更易于实现穿透焊接,且光纤激光获得良好焊缝成形的工艺区间更大。在穿透焊接条件下,焊缝截面形貌分为钉头形和近X形两种。当激光功率较高时,光纤激光焊缝更趋向于生成近X形截面,YAG激光焊缝更易于生成钉头形截面。焊缝成形受激光功率密度和焊接热输入双重因素的影响。随激光功率密度和焊接热输入的增大,光纤激光焊缝截面形貌逐渐由钉头形向近X形转变。     

NEPE推进剂激光辐照下点火燃烧性能研究

采用CO2激光器、高速摄像机和红外热像仪等设备研究了NEPE推进剂激光辐照下点火燃烧过程和推进剂表面温度分布,分析了激光热流密度对点火延迟时间的影响以及NEPE推进剂对激光卸载的动态响应。结果表明:增大激光热流密度可以减小点火延迟时间,当热流密度小于6.7×105W·m-2时,点火延迟时间随热流密度的增大而显著减小,而热流密度大于该值时,点火延迟时间随热流密度的增大而变化微小。激光辐照对NEPE推进剂的燃烧有显著影响,使火焰明亮并伴有大量火花,推进剂表面的温度大大提高。激光卸载后,推进剂表面温度并未立即下降,而是在短暂的迟滞后跌落,随后又出现小幅度的缓慢上升。     

纳秒激光烧蚀铝靶羽流流场能量转化过程分析

为研究高能脉冲激光烧蚀铝靶材瞬态流动过程和形成的羽流流场能量转化过程,采用阴影法对纳秒激光烧蚀铝靶羽流膨胀及演化过程进行研究,得到烧蚀流场演化时序图;利用动量守恒方程,建立烧蚀羽流在环境气体中膨胀模型。由实验测量结果,通过对流场参数的无量纲化处理,分析得到烧蚀流场无量纲羽流动能、环境气体动能以及热能之间的能量转化过程。研究表明,初始时刻,由于烧蚀压要远大于环境气压,羽流膨胀与真空中的自由膨胀行为类似,此后,羽流动能逐渐转化为环境气体动能和热能;当无量纲激波半径为1时,羽流的无量纲动能等于被羽流推起的气体的动能,而热能约等于总能量的1/2,最终全部转化为羽流和环境气体热能。     

减振器布局和跨度对捷联惯组振动影响

针对采用空间五点减振的捷联惯组系统, 介绍了其总体设计方案, 对减振 系统的固有频率进行了理论推导和模态仿真,对不同减振布局下捷联惯组的冲击响应进 行了分析。结果表明：对于空间五点减振的捷联惯组,其线振动固有频率不随减振器的 位置而改变,而角振动固有频率随减振器跨度的增大而增大;单独改变第5 点减振器的 位置对调整系统角振动固有频率的作用有限,但可有效影响系统的偏心量,进而显著改 变IMU 在冲击下的角振动响应幅值,较小的偏心量可以降低系统在冲击作用下的角振动 幅值;在系统偏心量不变的情况下,同步增加除第5 点外的其余4 个减振器的跨度,有 利于减少系统的角振动响应幅值。     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。