高超声速摩阻分布测量实验技术研究

Skin friction is an important part of aerodynamic drag, and it is greater for space shuttles. It is a key point in engineering of space vehicles. So the accuracy and reliability of friction measurements is highly required. In the last decades, several technologies on friction measurement were invented, including skin friction gauges, surface coatings, and momentum conservation. They are all to be developed because of disadvantages of themselves. In this project, liquid-crystal coatings and skin friction gauges are chosen as the methods of measuring skin friction distribution. Friction on the entire surface can be measured utilizing liquid-crystal coatings, and it is thought as a direct method. The liquid-crystal materials reflect lights of different wavelengths in different directions when shear is applied. So skin friction can be obtained via analyzing the pictures of the liquid-crystal coatings. Skin friction gauges are the most direct and efficient methods.Skin friction gauge utilizing optic-fiber sensors would not suffer from high temperature and electro-magnetic interference. Based on the past investigations, a plan is to be made on establishing an experiment system, and carrying out a serial of experimental studies.

摩擦阻力是飞行器所受气动阻力的主要组成部分之一，在空天飞机等高超声速飞行器所受阻力中占的比重较大，对飞行器的设计起着关键作用，从而对摩阻测量的可靠性、准确性提出了苛刻的要求。过去几十年中诞生了一系列测量摩阻的方法，包括摩阻天平技术、表面涂层技术、动量守恒技术等。这些技术各有各的优缺点，都还有待发展。本项目拟从液晶涂层摩阻测量技术和摩阻天平技术着手，开展摩阻分布测量的研究。液晶涂层摩阻测量技术是一种新兴的面测量技术，属于直接测量方法。其原理是基于某种特殊液晶材料在感受不同壁面剪切应力时会反射颜色各异的光线这一特性，通过现代图像采集和处理手段定量分析摩阻大小。摩阻天平是一种最直观、有效的直接测量方法。使用了光纤应变计的摩阻天平更具有耐高温和抗电磁干扰的优点。结合以往的调研和技术积累，本课题组将针对以上两项技术拟定研究方案，搭建风洞试验系统，并开展一系列实验研究。

(3)在高空条件下，高超声速飞行器的表面摩擦阻力（摩阻）在总阻力中所占的比例较大，可达总阻力的50％以上。数值计算方法很难准确模拟，只能通过地面试验获得数据。由于摩阻的绝对值非常小，在风洞试验中对测试技术灵敏度和精度要求非常高，现有的一些测量手段无法获得令人满意的结果。.基于上述情况，我院高超声速风洞试验研究室立足长远发展，积极进行市场调研，了解客户需求，成立了高超声速风洞高精度液晶涂层摩阻分布测量技术研究团队，历经四年多的研究开发与技术攻关，建立和发展了一套液晶涂层摩阻分布测量技术。开发的关键技术包括以下几方面：（1）突破新型剪切敏感液晶材料适用范围，应用的新型材料物理特性更加适合高超声速流场条件，适用的马赫数达到8，提高了液晶涂层摩阻测量技术在高超声速流场条件下的使用范围，使高马赫数环境下摩阻测量成为可能。（2）建立液晶涂层高精度标定技术，为提高标定精度和可靠性，应用两种方法对液晶涂层进行标定，通过两种方法互为验证，提高标定的精度和可靠性。（3）研制高精度多自由度、多角度光学视觉平台，能够完全满足不同攻角、不同侧滑角下以及曲面部位的摩阻测量需求。（4）建立多相机图像采集系统，解决了多个相机之间的性能差异问题和大量数据实时同步传输问题。（5）突破多种图像处理技术，包括图像畸变校正、图像配准、颜色校正等，图像处理精度达到像素水平，能够用于剪切应力矢量计算。（6）应用于风洞试验，获得高马赫数（Ma=8）、复杂流场条件下模型表面剪切应力矢量分布。.本项技术复杂度高、难度大、创新性强，拥有多项自主知识产权，推广应用前景明确。已在高超声速飞行器中得到良好应用，为开展飞行器表面摩阻预测研究提供了全面可靠的技术保障，摩阻测量试验能力达到国内领先、国际先进水平。并且，此技术为流场诊断和转捩研究提供了新的测试手段。