高超声速风洞HSCM系列标准模型气动力实验数据

在风洞建成运行初期和风洞实验技术与CFD技术的不断发展过程中,风洞标模实验一直都有特别重要的现实意义.汇总了近5年FD?07风洞HSCM系列标模实验的结果,针对HSCM系列AGARD HB?2标模、尖锥10°标模、AGARD B标模,给出了系统、全面、详实、可靠的实验数据,为相关实验和计算的评估提供借鉴和参考.     

圆锥标模高超声速俯仰自由振动试验与分析

为解决自由振动式动导数试验技术在大尺度高超声速风洞中,高气动载荷环境与低频率模拟要求之间的突出矛盾,进一步提高高超声速飞行器较低气动阻尼的测量精度,发展了基于组合式动导数天平的Ф 1 m量级高超声速风洞自由振动试验技术.设计组合式动导数天平,轴承组件承载模型轴向和法向气动力,弹性应变梁提供系统恢复力矩,并可根据减缩频率的要求调整系统自由振动频率,有效提高了天平承载能力,拓展了试验频率模拟范围.在中国空气动力研究与发展中心Ф 1 m高超声速风洞,利用本系统进行了10°半锥角不同钝度圆锥标模俯仰动导数校测试验,所测俯仰动导数与文献结果最大相对误差在6%以内,验证了试验系统和测试结果具有较好的稳定性与重复性.      

钝前缘梯形翼高超声速风洞颤振试验

为了研究钝前缘翼面的高超声速颤振特性,获得典型翼面高超声速颤振参数以校验非定常气动力和CFD计算,采用具有简单结构动力学特性的钝前缘梯形翼模型,在中国航天空气动力技术研究院FD-07高超声速风洞进行了高超声速风洞颤振试验研究.模型为9 mm厚钝前缘梯形平板翼,采用夹层设计:中间层为钢板,提供模型主要刚度和质量特性;两侧为泡沫,起维形作用.试验模型采用悬臂支撑安装于风洞试验段,试验Mach数分别为4.95和5.95.试验固定Mach数,通过缓慢增加动压以使模型达到颤振临界点,采用小波时频谱分析时域响应,结果显示试验模型发生了弯扭耦合经典颤振.试验采用直接观测法获得了颤振动压、颤振频率和对应的试验密度、总温等颤振相关参数.采用壳单元建立了结构有限元模型,并采用统一升力面理论对模型进行了颤振计算分析,研究了气流密度、结构阻尼、Mach数对颤振计算的影响,并对试验结果与理论计算的偏差进行了讨论.分析认为,计算气流密度、计算结构阻尼、结构建模偏差、试验结果散布特性等因素均会构成计算值和试验值之间的偏差,但即便在计算中考虑上述因素,计算结果与试验值仍存在较大偏差.      

磷光热图技术在常规高超声速风洞热环境实验中的应用

通过采取快速插入、建立同步采集系统等措施,在中国航天空气动力技术研究院FD-07常规高超声速风洞建立了磷光热图技术,并成功地获得了平板三角翼模型表面热流分布.基于实验结果,初步分析了来流Reynolds数等参数对三角翼表面热流分布的影响.结果表明,三角翼外形中心线处转捩靠后,两侧转捩靠前,且随着来流Reynolds数的增加,转捩位置进一步前移.总的来说,磷光热图技术能够直观地显示流动转捩发生的位置以及转捩后湍流区的形状,为高超声速飞行器热防护设计提供了一种新的技术途径.      

Φ1米高超声速风洞自主式维修保障系统设计

为了解决Φ1米量级高超声速风洞装备试修矛盾,提高风洞参试效率并拓展风洞技术性能,实现风洞装备管理信息化和过程质量控制精细化,满足国家高超声速武器装备和航天飞行器研制中地面试验的需求,提出了建设Φ1米量级高超声速风洞自主式维修保障系统。文章分析了风洞的设备组成、运行方式、试验任务特点以及风洞装备维修保障的现状,按照“增强的基于状态维修”的装备保障新模式,进行了系统设计架构,明确了硬件系统组成和软件各模块的功能。对风洞装备故障模式分析、基于振动特性分析的诊断和测试技术、基于应变特性分析的诊断和测试技术等关键性问题进行了实验探索与验证。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15 kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100 kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明：占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500 ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200 kHz和100 kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

高超声速气动试验模拟现状与面临的新挑战

高超声速飞行器的发展对地面试验模拟提出了新的要求, 但是, 现有条件还不能完全满足这些要求.文章首先回顾和概述了气动研究地面试验所应遵循的一般性相似准则, 分析了现行气动力热和推进试验模拟的不足和所面临的挑战.经分析认为, 面对这些挑战, 现行的主要参数模拟部件相似模拟和局部相似模拟等方法仍然有效, 但应加强相似理论对地面试验的指导和计算对试验的支撑性作用, 并在必要时通过飞行试验对不完全相似模拟结果进行验证与确认.      

基于Ludwieg管的高超声速边界层转捩实验

高超声速边界层层/湍流转捩是高超声速飞行器气动力和气动热设计中的难点和热点问题.为了降低开展高超声速边界层不稳定性与转捩实验研究的门槛,研究基于Ludwieg管原理设计并建造了一座Mach 6高超声速管风洞,重点对Ludwieg管风洞的启动和运行过程开展了数值模拟,分析了储气段弯管布局对试验段流场的影响;之后,对该高超...     

FD-21风洞Ma=10高超声速推进试验技术探索

针对Mach数8以上（Ma>8）冲压发动机地面试验能力不足问题,基于FD-21高能脉冲风洞,开展了吸气式推进试验技术探索,提升了FD-21风洞的重活塞驱动能力,获得了总压18.66 MPa、总温3 950 K、Ma=9.62、静压436.6 Pa、速度3 km/s的高焓大动压模拟流场,同时发展了高时间分辨率吸收光谱测量技术和基于重模型自由飞原理的发动机推阻测量方法.在此基础上,设计了弯曲激波压缩二元发动机,构建了燃料在线供应与喷注控制、模型悬挂与瞬态释放及相关测量一体的试验系统,在所建立的Ma=9.62风洞模拟环境中进行了集成验证试验,定量测得了有/无氢气射流与空气/氮气超声速气流作用下二元发动机的壁面压力、吸收光谱峰值吸收率、轴向力等数据,并利用纹影观测到了进气道唇口与燃烧室部位的波系特征.多次试验所得的壁面压力、峰值吸收率、轴向力随时间变化曲线均存在2 ms以上的平台,表明二元发动机建立了准定常流动.冷热态及氮气对照组对应的壁面压力分布、峰值吸收率、轴向力等数据呈现出了明显不同,且二者规律近似一致,一方面说明所建立的模拟流场、燃烧诊断技术、发动机推阻测量技术是有效的,另一方面也表明二元发动机实现了点火燃烧、获得有效热功转换,为后续相关研究奠定了良好的基础.      

三角翼标模摩擦阻力测量的高超声速风洞实验与数据确认

描述了剪切敏感液晶涂层（shear-sensitive liquid crystal coatings,SSLCCs）在高超声速风洞中针对三角翼标模进行表面摩擦阻力（简称摩阻）测量的应用情况.建立了基于剪切敏感液晶涂层光学测量系统,在中国航天空气动力技术研究院FD-07风洞中进行了三角翼摩阻测量实验,给出了三角翼表面摩阻分布数据,表明流场结构的复杂.实验结果证明了此方法进行高超声速摩阻测量的可行性,有效解决了在高超声速流场条件下表面摩阻预测的难题,具有重要的应用价值.      

垂直轴风力机叶片表面结冰的风洞试验

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用NACA0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。     

高超音速飞行器鲁棒控制器设计

军事变革和信息化战场环境的变化,促使空天攻防作战成为未来作战的战场之一。临近空间高超音速飞机和导弹会对传统攻防体系带来颠覆性冲击。复杂环境对高超音速飞行器控制技术的发展提出了严峻的挑战,本文针对吸气式高超音速飞行器在飞行包线内动态特性易变、稳定性较差、不确定因素较多以及对外界扰动敏感以及整个执行机构控制能力弱和动态特性低等的控制问题,首次提出了一种能同时抑制扰动和模型不确定性的基于优化控制的鲁棒控制方法,保证飞行器能得到很好地控制,快速响应环境变化并很快回到稳定飞行的状态。采用线性矩阵不等式方法来设计飞行控制系统,给出了不确定系统稳定的条件, 将反馈稳定问题转化为了一个最优控制问题。同时将闭环极点在一定区域内参与优化,进一步提高优化效率。与文献方法仿真对比结果证实了本文方法的优越性。     

基于某模型自由飞试验的测控与信息传输系统设计

针对模型自由飞试验的技术要求,设计了某模型自由飞试验使用的测控与信息传输系统,针对系统设计要点突破了多项关键问题,给出了系统关键点的设计方法和具体实现过程,并结合实例和仿真给出了相应的结果,通过地面试验对整个测控与信息传输系统的性能进行测试,包括地面及机载收发信机的接收灵敏度测试、系统时延测试等,试验结果表明,收发信机接收灵敏度及链路延时等指标都能满足模型自由飞试验的要求;对同类型系统设计有重要参考价值。     

超高速高空低动压柔性罩体脱落天地相关性研究

柔性罩体包裹于飞行器外表面,在飞行中段起到保护作用.再入过程中在气动力/热共同作用下,从飞行器表面拉开、脱落,脱落过程产生的附加干扰力/力矩,对飞行器再入姿态产生影响,造成惯性落点偏差.采用地面风洞模拟超高速高空低动压环境,考核不同再入动压条件下,罩体连接绳在气动力作用下的脱开过程,以及脱落过程对飞行器产生的干扰力/力...     

基于涡流发生器的风洞试验段附面层控制数值模拟

沿试验段侧壁发展的附面层是影响飞行器半模型实验数据精准度的主要因素之一.利用数值模拟方法验证了涡流发生器减小附面层影响的可行性,重点分析了安装角度、结构尺寸、安装位置及个数等设计参数对附面层内速度分布的影响规律,对涡流发生器尾涡强度以及沿流向的发展规律进行了初步探讨.结果表明,涡流发生器产生的尾涡能够有效改善附面层内的速度分布,进而减小附面层厚度,降低附面层影响;涡流发生器的后缘应略高于当地附面层厚度,安装角度、位置、个数等参数必须合理设计以减小涡流发生器对试验段主气流的影响.基于计算结果初步设计了可用于2.4 m跨声速风洞半模试验段的涡流发生器,在亚声速范围内能够减小模型区侧壁附面层厚度66%左右,对核心流Mach数影响小于0.003,为涡流发生器的实际应用提供了依据.      

磁流体加速和磁流体加速风洞

高超声速飞行器对于更高飞行速度的追求，给地面风洞设备模拟能力提出了新的要求，磁流体加速成为一个重要突破方向.文章介绍了国内外在磁流体加速基本原理以及磁流体加速技术应用于地面风洞试验方面的研究工作.基于磁流体（magneto-hydro-dynanic，MHD）加速的高超声速风洞设备可以模拟高超声速飞行器的试验条件，复现超高速的飞行环境，是突破超高速飞行器再入研究地面试验模拟能力的关键技术，在航空航天领域具有重要的研究意义和应用前景.      

临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状

临近空间高超声速飞行器具有速度快、突防能力强、杀伤力大等特点,是当今世界各军事强国新型武器的重点发展方向.其中,气动力和气动热是高超声速飞行器的两项重要指标,也是高超声速技术研究的重点内容.文章综述了国内外临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状,分析了研究的发展趋势,并分别从工程计算、数值仿真以及实验研究3个方面介绍了高超声速飞行器气动力及气动热的研究技术和方法.