高超聲速激波風洞氣動力測量技術研究

《高超聲速激波風洞氣動力測量技術研究》是依託中國科學院力學研究所，由汪運鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高超聲速激波風洞氣動力測量技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：汪運鵬
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

高超聲速激波風洞由於流場瞬時建立，在進行氣動力試驗時，巨大的衝擊載荷激發起模型、測力元件、支撐系統及風洞部件的振動，形成慣性干擾力。其與真實氣動力混雜在一起，甚至覆蓋氣動力，將極大降低試驗精準度，出現氣動信號無法使用的情況。同時，試驗模型的尺度、質量也受到極大的限制。因此，套用激波風洞進行測力試驗仍存在諸多問題，尤其對於大、重模型的測力試驗，更是鮮有報導和文章發表。本項目基於這些測力關鍵技術問題，探索新型內置桿式應變天平結構，利用有限元數值技術設計最佳化激波風洞測力專用應變天平；對衝擊振動載荷進行系統的理論、數值及試驗（模態）分析，提出針對激波風洞氣動力試驗低頻振動慣性力干擾信號的合理補償方法；針對若干測力技術關鍵問題，擬定不同試驗方案，並在力學所高溫氣動國家重點實驗室的JF12復現高超聲速飛行條件激波風洞開展實際測量。

結題摘要

套用高超聲速激波風洞進行測力試驗仍存在諸多問題，尤其對於大、重模型的測力試驗。主要由於激波風洞流場瞬時建立，在進行氣動力試驗時，巨大的衝擊載荷激發起模型、測力元件、支撐系統及風洞部件的振動，形成慣性干擾力。其與真實氣動力混雜在一起，甚至覆蓋氣動力，將極大降低試驗精準度，出現氣動信號無法使用的情況。本項目基於這些測力關鍵技術問題，探索了新型內置桿式應變天平結構，利用有限元數值技術設計最佳化了激波風洞測力專用應變天平。該脈衝型天平具有大剛度、低干擾、高精度等特點。其精、準度指標均達到0.03%，遠超出項目預計要求，同時超過國軍標合格及先進指標要求。與力學所 80 年代研製的壓電天平參數指標相比，目前的脈衝型應變天平校準精準度指標提高了近兩個數量級。本研究將常規風洞測力天平與激波風洞測力天平加以區分，有效的解決了應變天平靈敏度和剛度之間的矛盾，使其在激波風洞測力實驗中得到高頻周期信號的同時，天平輸出增大，從而得到了較高精度的測力結果。對衝擊振動載荷進行系統的理論、數值及試驗（模態）分析，發展了一套新的脈衝式天平信號慣性補償方法——波系適配法。該方法將採集到的帶有慣性力干擾信號的天平輸出信號進行低頻信號分離，有效提高了激波風洞氣動力測量的精準度和可靠性。根據激波風洞運行特性及研製的高精度脈衝型應變天平性能，擬定了不同試驗方案，在力學所高溫氣動國家重點實驗室的JF12復現高超聲速飛行條件激波風洞開展了標模測量試驗。其測力結果表明：對於 100 ms 以上試驗時間的脈衝型風洞，應變計測力感測器完全可以滿足激波風洞短試驗時間測力試驗需求。該技術的發展與套用實現了高超聲速飛行器在長試驗時間高焓激波風洞氣動力的高精準度測量。其測量結果套用於高超聲速飛行器的設計和研製，對型號部門高超飛行器的發展具有重要科學意義。