高超声速激波风洞气动力测量技术研究

Due to the instantaneous flow field and the short test time, mechanical vibration of the balance system is generated and cannot be damped when the measurement of aerodynamic force is carried out in hypersonic shock tunnel. The inertial forces lead to low frequency vibrations of the model and its motion cannot be addressed through digital filtering since enough cycles cannot be found during a tunnel run. This implies restriction on the model size and mass as its natural frequencies are inversely proportional the length scale of the model. Therefore, there are still many problems for the aerodynamic measurements in a shock tunnel, especially for the large and heavy models, where almost no relevant reports and articles can be found. In order to overcome the difficulties encountered by the measurement of aerodynamic force in the shock tunnel, we explore the new structure of the balance, design and optimize the special strain balance for the aerodynamic measurement in hypersonic shock tunnel; The theoretical, numerical and experimental (modal) analyses are carried out for mechanical vibration of the measurement system, in order to reasonably compensate for output signal, which created by using the large model with low-frequency vibration; In order to solve the key technical problems, the different test cases for the aerodynamics measurement will be carried out using JF-12 hypersonic shock tunnel in State Key Laboratory of high-temperature gas dynamics.

高超声速激波风洞由于流场瞬时建立，在进行气动力试验时，巨大的冲击载荷激发起模型、测力元件、支撑系统及风洞部件的振动，形成惯性干扰力。其与真实气动力混杂在一起，甚至覆盖气动力，将极大降低试验精准度，出现气动信号无法使用的情况。同时，试验模型的尺度、质量也受到极大的限制。因此，应用激波风洞进行测力试验仍存在诸多问题，尤其对于大、重模型的测力试验，更是鲜有报道和文章发表。本项目基于这些测力关键技术问题，探索新型内置杆式应变天平结构，利用有限元数值技术设计优化激波风洞测力专用应变天平；对冲击振动载荷进行系统的理论、数值及试验（模态）分析，提出针对激波风洞气动力试验低频振动惯性力干扰信号的合理补偿方法；针对若干测力技术关键问题，拟定不同试验方案，并在力学所高温气动国家重点实验室的JF12复现高超声速飞行条件激波风洞开展实际测量。

应用高超声速激波风洞进行测力试验仍存在诸多问题，尤其对于大、重模型的测力试验。主要由于激波风洞流场瞬时建立，在进行气动力试验时，巨大的冲击载荷激发起模型、测力元件、支撑系统及风洞部件的振动，形成惯性干扰力。其与真实气动力混杂在一起，甚至覆盖气动力，将极大降低试验精准度，出现气动信号无法使用的情况。本项目基于这些测力关键技术问题，探索了新型内置杆式应变天平结构，利用有限元数值技术设计优化了激波风洞测力专用应变天平。该脉冲型天平具有大刚度、低干扰、高精度等特点。其精、准度指标均达到0.03%，远超出项目预计要求，同时超过国军标合格及先进指标要求。与力学所 80 年代研制的压电天平参数指标相比，目前的脉冲型应变天平校准精准度指标提高了近两个数量级。本研究将常规风洞测力天平与激波风洞测力天平加以区分，有效的解决了应变天平灵敏度和刚度之间的矛盾，使其在激波风洞测力实验中得到高频周期信号的同时，天平输出增大，从而得到了较高精度的测力结果。对冲击振动载荷进行系统的理论、数值及试验（模态）分析，发展了一套新的脉冲式天平信号惯性补偿方法——波系适配法。该方法将采集到的带有惯性力干扰信号的天平输出信号进行低频信号分离，有效提高了激波风洞气动力测量的精准度和可靠性。根据激波风洞运行特性及研制的高精度脉冲型应变天平性能，拟定了不同试验方案，在力学所高温气动国家重点实验室的JF12复现高超声速飞行条件激波风洞开展了标模测量试验。其测力结果表明：对于 100 ms 以上试验时间的脉冲型风洞，应变计测力传感器完全可以满足激波风洞短试验时间测力试验需求。该技术的发展与应用实现了高超声速飞行器在长试验时间高焓激波风洞气动力的高精准度测量。其测量结果应用于高超声速飞行器的设计和研制，对型号部门高超飞行器的发展具有重要科学意义。