超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究

超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟技术及相应的极端高温环境力学测试技术,是高超声速飞行器防热材料和结构安全设计中事关研制成败的关键技术。本文介绍了自行研制的可实现高至210℃/s的极快非线性升温速率、能够生成高达2MW/m2的瞬态非线性热流密度、实现高达1500℃超高温氧化热环境的石英灯红外辐射式气动热环境试验模拟系统。基于这一性能优越的超高温气动热环境试验模拟系统,发展了如下超高温热环境力学测试技术:1)提出对环境光变化不敏感的主动成像数字图像相关方法,实现了C/SiC复合材料1550℃高温变形的非接触、全场光学测量;2)发展了1400℃超高温热/力联合试验环境下SiC/SiC复合材料结构的断裂特性试验测试技术。本文还简要介绍了高速巡航导弹翼面结构900℃高温热振联合试验,950℃高温非线性热环境下的蜂窝结构隔热性试验等研究内容。本文所发展的超高温气动热环境试验模拟技术和高温热环境力学测试技术,对航天航空领域高超声速飞行器的研制具有重要的军事工程应用价值。     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

高温热化学非平衡气动热试验与仿真技术研究进展

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展,面临的气动热环境会越发恶劣,高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一.高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速,分子动能转化为内能,产生了高温.高温引起体分子振动、电子激发,伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象,其流场气动热预测面临诸多挑战.文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨.首先,阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程,重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平;然后,调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状,分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.     

高超声速边界层中模态转化的数值研究

在高超声速边界层中,第一模态和第二模态是与转捩有关的两个主要不稳定模态.除了不稳定模态,还存在一类稳定模态,其相速度在前缘接近快声波的相速度称为快模态.在感受性过程中,这类模态对激发边界层中不稳定模态起着很重要的作用.前缘感受性理论解释了边界层外扰动激发边界层中第一模态波的机理.针对高超声速平板边界层,利用相似性解剖面作为基本流,采用线性稳定性理论和直接数值模拟的方法研究了快模态和慢模态的稳定性行为.研究发现模态转化的位置与马赫数有关.根据线性稳定性理论的结果定义了临界频率.当扰动频率高于临界频率,第一模态与第二模态同支;而当扰动频率低于临界频率,第一模态与第二模态的共轭模态同支.借助稳定性方程的伴随方程分析了直接数值模拟的结果.直接数值模拟结果表明不论上游是快模态还是慢模态,当它们经过第二模态的不稳定区,它们都会演化成第二模态. 这可用模态在非平行流中传播的特征来解释.      

从自由试验提取约束结构模态

已有的“从自由试验提取约束结构模态”的动柔度法，仅适用于刚性支承情况．在工程中，弹性支承状态是常见的，为此，建立了这一情况下的提取方法．该方法具有普遍性，因为当支承刚度很大时，可得到刚性支承下的结果；当支承刚度很小时，便可获得工程中用橡皮绳悬吊结构后所测得的自由-自由试验模态．总之，当支承刚度为任何值时，用此方法都能提取到相应约束结构的满意试验模态参数．表明该算法是非常稳定的，对于工程应用至关重要．     

高温燃气喷流/主流相互干扰实验研究

报道关于高温燃气自由喷流(热喷流)、燃气喷流/主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果. 其意义在于: 抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型, 为高超声速飞行器防热需求提供实验依据. 实验主流由脉冲风洞提供,燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生. 利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步, 利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似. 实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定; 实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究, 通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场(即干扰流场)3种工况的热流分布. 实验研究发现,热喷流/主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响, 热流峰值较无喷流流场高出一个量级.      

基于高温气体效应的磁流体流动控制研究进展

高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场,电离气体为磁场应用提供了直接工作环境.磁流体控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管理等方面均具有广阔的应用前景; 同时,超导材料及电磁技术的发展又重新推动了这一领域的研究热潮.虽然国内外在高超声速磁流体流动控制领域已开展了一些研究工作,但其实验研究依然极具挑战, 且由于实验条件及测量技术等限制,其压力、热流等参数的测量并没有得出较为系统的结论,因此需要对影响脱体激波距离、热流、压力变化的规律及机理进行深入研究; 同时,数值模拟方法和理论分析也亟待可靠的实验数据来对其进行验证.本综述调研和讨论了基于高温真实气体效应的磁流体流动控制技术研究,主要针对磁流体流动控制的试验技术、数值模拟、理论方法以及流动控制的主要研究方向等进行了总结,并对其发展趋势进行了讨论和展望.      

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

典型热防护壁板结构的热模态分析

气动加热产生的热环境会使结构动力学参数发生显著变化,影响结构的承载能力和强度极限,因此结构的热模态分析是评估结构动态力学环境适应性的重要手段。结构热模态分析有两种手段:数值分析和热模态试验。而目前对高温及高温梯度下的结构热模态分析研究较少。本文针对典型热防护壁板结构,研究了气流加热的高温热环境模拟方法以及结构热模态试验和分析方法;获得了不同温度及温度梯度条件下典型热防护壁板结构的振型、固有频率,分析了结构振动特性的变化规律;通过数值模拟与试验对比,发现温度梯度因素对结构动力学参数具有显著的影响。进一步研究温度及温度梯度对结构动力学参数的影响,对热载荷下的结构设计具有指导意义。     

用模态试验结果修改力学模型初探

利用试验模态分析结果,对有限元力学模型本身或其中某些参数进行修改是必要的和有工程意义的。这一“修改”既是数学上的优化问题又是工程设计问题。本文介绍自研制的“结构动力修改程序”,述及一般原理及框图,并给出一个悬臂梁实例。     

高超声速高温气体效应判据

基于动理论的观点, 提出几种定量判据, 用以判断在怎样的飞行条件下, 高超声速飞行器周围高温空气分子的振动、离解、电离效应是重要的.      

触摸高温气体动力学

回顾了高温气体动力学与高超声速科技相关的一些重要研究进展,探讨几个具有基础性研究意义的方向：即高超声速流动模拟;高温气体热化学反应机制;高超声速流动滞止区预测;高超声速边界层转捩和激波/激波相互作用诱导的气动热问题．这些研究方向与高温气体效应和强激波密切相关,对高超声速科技关键技术的突破起着重要作用．     

结构模态耦合试验稳定性裕度研究及应用

针对某型验证机纵向伺服弹性稳定性裕度不足的问题,建立了基于结构模态耦合试验和仿真的分析方法。通过比较原型机与验证机之间传感器幅值裕度和响应曲线,初步判定传感器安装结构响应过大为此次裕度不足的主要原因。通过控制律仿真环节和机体动力学仿真环节建立了结构模态耦合仿真模型,模拟试验输入信号,获得传感器响应数据。通过结构模态耦合仿真,验证了倍频现象是导致传感器安装结构响应过大的原因,进而导致纵向稳定性裕度不足。提出了一种传感器支持系统可调频率动态控制装置,可有效提升结构模态耦合试验稳定性裕度。

     

斜拉索模态试验参数研究

试验模态分析是斜拉桥索力测试中广泛应用的方法。该方法的关键之一是采取合理的试验方案获取可靠的响应信号以识别出正确的索振动频率。本文通过试验,详细讨论了斜拉索模态测试中若干试验参数,如激振类型、激振位置、传感器位置以及频率分辨率对试验结果的影响;比较环境激励与锤击激励的效果,验证了环境激励的方法也可以准确识别索的频率;最后给出了较为合理的斜拉索模态试验方案,用该方案确定的索力与理论计算结果相差不超过 1. 5%。     

飞机结构件振动环境试验技术初探

阐述了试验载荷谱、激励方式、夹具设计技术、振动控制等四个关键技术.介绍了飞机结构件振动环境与其它载荷及环境的综合试验,同时对振动环境试验的发展趋势作一探讨.     

金属板材高温压缩试验

本文介绍了直接接触式加热器及金属板材800℃压缩试验技术。用自动描绘的力变形曲线测得弹性模量E和屈服强度σ_(0.2)。该试验技术所用设备简单,耗电少,操作方便,并提高了工作效率和试验精确度。     

模态试验的磁带伪随机激振技术与实验

全文论及伪随机信号的生成原理;统计特性及无泄漏性的论证;磁带伪随机激振试验的实施技术以及具体实例.笔者认为,磁带伪随机激振具有信号源易于生成,测试简便快速,统计特性良好,谱形控制方便,能满足工程精度要求等优点,是一种适应于一般工程单位实施的模态试验技术.     

中国科学院高温气体动力学重点实验室研究进展

<正>中国科学院高温气体动力学重点实验室是在钱学森先生和郭永怀先生创立的科研队伍的基础上于1994年组建的.实验室成立以来一直坚持钱学森先生倡导的"工程科学"理念,面向国家安全和国民经济的重大战略需求,主要研究高温、高超声速极端条件下,具有分子振动与转动激发、解离、电离等内态变化介质的流动规律,推动气体动力学科的创新与发展;并通过发展新理论、     

火箭激振钱塘江大桥模态试验

介绍了国内首次利用火箭作为激振设备的桥梁模态试验及结果． 试验对象为杭州钱塘江铁路和公路双层大桥． 得到了大桥垂直向的前２阶和水平向的前４阶模态．     

利用地脉动试验识别楼房结构的模态参数

论述了在地脉动对结构物的环境激励条件下,进行结构物地脉动响应测量的试验原理及方法,提出了固有频率识别与振型识别的互补较正法．通过对实际楼房结构的地脉动响应测量识别结构的模态参数．识别结果表明该理论及试验方法行之有效．