蔣增輝宋 威魯 偉陳 農(nóng)

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京 100074)

高速風(fēng)洞投放模型試驗技術(shù)的關(guān)鍵問題及應(yīng)用領(lǐng)域

蔣增輝*,宋 威,魯 偉,陳 農(nóng)

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院,北京 100074)

基于高速風(fēng)洞投放模型試驗的經(jīng)驗,論述和總結(jié)了對試驗技術(shù)的實際應(yīng)用較為重要、且對試驗結(jié)果有較大影響的幾個關(guān)鍵問題:相似準(zhǔn)則的選取問題、投放分離參數(shù)的模擬問題、風(fēng)洞啟動時流場對投放物模型的沖擊載荷問題以及數(shù)據(jù)處理方法,分別對這四個問題的具體選取原則和處理方法進行了詳細(xì)的總結(jié)和分析。重模型法能夠確保模型投放軌跡的嚴(yán)格相似,但實用性較差;而輕模型法則正好相反。由于重模型法在實際使用中通常難以應(yīng)用,因此輕模型法在風(fēng)洞投放模型試驗中獲得了較多應(yīng)用,但其模型垂直加速度不足的問題也需引起重視。投放分離參數(shù)的相似模擬,通?？赏ㄟ^采用彈簧或氣缸提供的投放作用力來實現(xiàn),彈簧具有簡單、易行的特點,但模擬的準(zhǔn)確性稍差;而氣缸則正好相反。風(fēng)洞啟動時流場對投放物模型的沖擊載荷問題常常能夠影響到試驗的順利進行或影響試驗結(jié)果。數(shù)據(jù)平滑處理可采用時間多項式擬合來實現(xiàn),進而通過一次或二次微分獲得氣動力系數(shù)。對高速風(fēng)洞模型投放試驗的應(yīng)用領(lǐng)域作了總結(jié)和介紹,將其分為飛機外掛物/內(nèi)埋武器投放、子母彈拋撒/重塊拋撒,以及頭罩/導(dǎo)彈殼片分離三大類型試驗,并對每一類試驗在具體的試驗技術(shù),以及在上述幾個關(guān)鍵問題上的特點分別作了介紹,給出了具體試驗的圖像和曲線。

多體分離;風(fēng)洞投放模型試驗;飛機外掛物;內(nèi)埋武器;子母彈;頭罩分離;殼片分離

0 引 言

風(fēng)洞投放模型試驗作為研究多體分離問題的一種有效手段得到了大量應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者均開展了較多的風(fēng)洞投放模型試驗。從文獻來看,國內(nèi)開展的風(fēng)洞投放模型試驗多為低速風(fēng)洞試驗[1-8],高速風(fēng)洞投放模型試驗僅有較少的幾家單位開展過該方面的研究工作[9-10]。但高速風(fēng)洞投放模型試驗應(yīng)用領(lǐng)域較低速投放試驗更為廣泛。除了同樣可以開展低速風(fēng)洞投放模型試驗主要涉及的飛機外掛物投放問題的研究外,高速風(fēng)洞投放模型試驗還拓展到了內(nèi)埋武器投放分離、子母彈拋撒等多種多體分離問題領(lǐng)域,馬赫數(shù)范圍也涵蓋了亞、跨、超,直至高超聲速。因此高速風(fēng)洞投放模型試驗技術(shù)的研究對于型號研制中的多體分離問題有著較為重要的意義。國內(nèi)外的一些文獻對高速風(fēng)洞投放模型試驗技術(shù)原理和方法作了一些介紹[9-16]。從文獻來看,國外學(xué)者開展的高速風(fēng)洞投放模型試驗多為針對內(nèi)埋武器的投放試驗[17-22]。

中國航天空氣動力技術(shù)研究院在高速風(fēng)洞投放模型試驗方面開展了大量的研究工作,且在較多型號研制中得到了成功應(yīng)用,研究領(lǐng)域也從飛機外掛物風(fēng)洞投放試驗,逐步拓展到內(nèi)埋武器投放、子母彈拋撒、頭罩/殼片分離問題等多個新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文根據(jù)多年從事高速風(fēng)洞投放模型試驗的經(jīng)驗,以及應(yīng)用中的體會,對試驗技術(shù)在實際應(yīng)用中較為重要,且對試驗結(jié)果有較大影響的幾個關(guān)鍵問題作詳細(xì)的論述和總結(jié),分析其對試驗結(jié)果和試驗成敗的影響,同時總結(jié)和介紹高速風(fēng)洞模型投放試驗在不同類型試驗中應(yīng)用的特點,以期能夠增進相關(guān)領(lǐng)域研究人員對該項試驗技術(shù)的了解。

1 試驗技術(shù)的幾個關(guān)鍵問題

1.1 相似準(zhǔn)則的選取問題

與低速風(fēng)洞模型投放試驗只考慮模擬重力影響的Fr數(shù)相似準(zhǔn)則不同,高速風(fēng)洞模型投放試驗需采用模擬Ma數(shù)影響的相似準(zhǔn)則,而這就需要根據(jù)不同的具體情況選用不同的模擬方法。常用的方法有重模型法和輕模型法兩種。兩種方法各有特點,文獻[9,11-12,14]中對兩種方法的優(yōu)缺點已作了較多的介紹,總結(jié)如下。

(1)重模型法。優(yōu)點:保證模型的重力和氣動力之比與實物相同,運動嚴(yán)格相似。缺點:1)短周期俯仰振動阻尼不足(通常對試驗結(jié)果影響不大);2)模型的相似設(shè)計困難較大;3)高密度金屬試驗?zāi)Ｐ?加工困難,試驗成本增加,增大了對風(fēng)洞壁撞擊造成其損傷的風(fēng)險;4)需模擬的試驗投放高度不同,試驗?zāi)Ｐ偷拿芏纫膊幌嗤?/p>

(2)輕模型法。優(yōu)點:1)有正確的彈射運動和俯仰振動;2)模型相似設(shè)計較為容易,實用性強。缺點:重力與氣動力之比與實物不一致,模型的垂直加速度不足,導(dǎo)致其垂直位移與實物有些差別。

對于高速風(fēng)洞投放模型試驗來說,相似準(zhǔn)則的選取應(yīng)當(dāng)兼顧模型投放軌跡與實物的相似性及方法的實用性,然而兩種方法各自的特點使得在確保其中一項要求的同時,對另一項要求均有所弱化。重模型法能夠確保模型投放軌跡的嚴(yán)格相似,但實用性較差;而輕模型法則正好相反。從投放模型試驗的目的來說,確保模型投放軌跡的相似性是第一位的,因此在具體的試驗中,相似準(zhǔn)則的選取大體上遵循的原則是:在重模型法的模型相似設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)和試驗成本能夠承受的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用重模型法。

但從已開展的投放試驗來看,由于受各種條件的限制,通常重模型法在試驗中難以應(yīng)用。而輕模型法實用性強的特點使得其在應(yīng)用中更易實現(xiàn),因此在曾開展的試驗中多采用輕模型法。但輕模型法模型垂直加速度不足的問題也需引起重視,在不對垂直加速度作補償?shù)那闆r下,需對其對試驗結(jié)果的影響進行分析。

1.2 投放分離參數(shù)的模擬問題

投放分離參數(shù)的模擬問題是高速風(fēng)洞投放模型試驗的一個較為關(guān)鍵的問題,只有對投放分離參數(shù)作正確的相似模擬,才能確保模型投放軌跡與實物投放軌跡相似。

由于試驗所要模擬的是投放后物體的運動規(guī)律,因此只需通過對投放力所做的功進行相似模擬即可實現(xiàn)對投放物運動規(guī)律的模擬。能量的相似準(zhǔn)則不受輕/重模型法的影響,因此無論輕模型法還是重模型法,其縮比后的能量都是相同的,而兩種不同方法下模型質(zhì)量不等,因此輕模型法和重模型法試驗中模型的投放初線速度以及初角速度是不等的。

投放分離參數(shù)(投放初線速度、初角速度)的相似模擬,通?？赏ㄟ^采用彈簧或氣缸提供的投放作用力來實現(xiàn),兩種方式的優(yōu)缺點總結(jié)如下。

(1)彈簧。優(yōu)點:簡單、易行。缺點:1)能量偏小,難以提供很大的作用力;2)加工的彈簧與設(shè)計值有一定偏差;3)設(shè)計加工完成后,作用力難以精確調(diào)整,且作用力存在上限,因此對投放參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍有限。

(2)氣缸。優(yōu)點:1)可提供較大的投放力;2)通過調(diào)整供氣壓力可實現(xiàn)對作用力的調(diào)節(jié),可方便的調(diào)節(jié)出較為準(zhǔn)確的投放參數(shù)。缺點:1)分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對繁雜,增加試驗設(shè)計難度;2)氣缸的安裝布置受母彈的內(nèi)部空間限制,空間過小可能無法布置氣缸。

投放分離參數(shù)的相似模擬方法需兼顧模擬的準(zhǔn)確性和實用性,而彈簧和氣缸兩種方法在確保其中一項的同時,對另一項有所弱化。彈簧具有簡單、易行的特點,但模擬的準(zhǔn)確性稍差;而氣缸則正好相反。因此在具體的試驗中,相似模擬方法的選取遵循的原則是:在氣缸布置能夠?qū)崿F(xiàn)以及機構(gòu)的繁雜性可以實現(xiàn)和接受的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用氣缸機構(gòu)。

無論是采用彈簧還是氣缸,在風(fēng)洞試驗前均需進行地面調(diào)試試驗,通過調(diào)整彈簧壓縮長度(甚至可能需要重新設(shè)計加工彈簧)或氣缸氣源壓力來獲得滿足試驗要求的模型投放分離參數(shù)。

1.3 風(fēng)洞啟動時流場對投放物模型的沖擊載荷問題

由于高速風(fēng)洞啟動時的沖擊載荷較大,因此若投放物模型鎖緊不夠牢固,會在沖擊載荷的作用下被沖掉,或造成模型出現(xiàn)試驗所不允許的位移(會影響初始分離參數(shù),進而對試驗?zāi)Ｐ偷倪\動軌跡產(chǎn)生影響),從而造成在投放解鎖前投放物模型就已經(jīng)離開母彈或安裝位置發(fā)生變化,致使試驗無法進行,或影響試驗結(jié)果。這是高速風(fēng)洞投放模型試驗中較為常見的問題,且在以彈簧為預(yù)緊力的投放試驗中尤為明顯。彈簧壓緊后的預(yù)緊力會對風(fēng)洞啟動載荷的沖擊效果形成助力,使得投放物模型提前解鎖或安裝位置發(fā)生變化的情況更易發(fā)生。由于該問題常常影響到試驗的順利進行或影響試驗結(jié)果,因此是必須克服的,也是較為棘手的一個重要問題。

對于具有插入式機構(gòu)的風(fēng)洞,可在風(fēng)洞啟動前,將刀架系統(tǒng)帶著試驗?zāi)Ｐ鸵黄鹛岬斤L(fēng)洞流場區(qū)域外,待穩(wěn)定流場建立后再將其送到試驗所需的位置,從而避開風(fēng)洞啟動時的沖擊載荷。

對于非插入式機構(gòu)的風(fēng)洞,就只能通過分離解鎖機構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(如增加對模型分離前的保護機構(gòu))來解決該問題,也即必須保證在投放解鎖前對投放物模型的鎖定可靠,使其能夠經(jīng)得起風(fēng)洞啟動載荷的沖擊,既不能被風(fēng)吹掉,也不能發(fā)生不允許的位移,同時還要滿足快速分離要求,解鎖機構(gòu)觸發(fā)后要能迅速實現(xiàn)解鎖,無任何約束。此時投放解鎖機構(gòu)的設(shè)計難度往往會有較大增加。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

通過高速攝像機記錄拍攝的試驗圖像,高速風(fēng)洞投放模型試驗可實現(xiàn)對分離安全性的直接觀察,并可進而獲得線位移、角位移-時間觀測值,也即模型的軌跡和姿態(tài)變化曲線。若希望獲得氣動力系數(shù)或模型的線速度、角速度等參數(shù)的變化曲線,則需要通過對觀測值進行一次或二次微分獲得,但由于讀圖等誤差會隨著微分而被放大,因此在微分前需對數(shù)據(jù)進行平滑處理。

數(shù)據(jù)平滑處理可采用時間多項式擬合的方法來實現(xiàn)。通過時間多項式擬合,可得到:

對式(1)作一次微分后,可得:

對式(2)再作一次微分后(也即式(1)作兩次微分),可得:

式(1)為已作過平滑處理的線位移、角位移-時間關(guān)系式,式(2)為線速度和角速度-時間關(guān)系式,而式(3)則為線加速度和角加速度-時間關(guān)系式。根據(jù)式(3)可進一步獲得阻力系數(shù)、升力系數(shù)以及俯仰力矩系數(shù)-時間關(guān)系式。

2 應(yīng)用介紹

高速風(fēng)洞投放模型試驗的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,如飛機外掛物投放、內(nèi)埋武器投放,以及子母彈拋撒、頭罩分離等。從投放試驗的技術(shù)特點來劃分,可以分為飛機外掛物/內(nèi)埋武器投放、子母彈拋撒/重塊拋撒,以及頭罩/導(dǎo)彈殼片分離三大類試驗。每一類試驗均有著與其他兩類不同的特點,下面分別對這三類投放試驗進行介紹。

2.1 飛機外掛物/內(nèi)埋武器投放

飛機外掛物和內(nèi)埋武器投放均是從飛機上投放物體,兩類投放試驗的特點是均只在豎直向下的一個方向投放模型,且通常每次試驗均只投放一個模型。

受風(fēng)洞尺寸等各種因素的影響,前期開展的無論飛機外掛物投放還是內(nèi)埋武器投放均是采用輕模型法,因而其垂直加速度不足對試驗結(jié)果的影響和其補償問題就需要考慮。

對于自由投放的飛機外掛物投放試驗,由于不存在投放分離參數(shù)的模擬問題,試驗相對簡單一些,而帶有投放力的外掛物投放試驗和內(nèi)埋武器投放則較為復(fù)雜,尤其是內(nèi)埋武器投放通常需同時模擬導(dǎo)彈的分離線速度和分離角速度,試驗技術(shù)的復(fù)雜性和難度均較大。

流場啟動沖擊載荷的問題,對于外掛物投放和內(nèi)埋武器投放都需要引起注意。

圖1所示為某外掛物超聲速下風(fēng)洞投放試驗圖片。圖2為該外掛物風(fēng)洞投放試驗獲得的線位移-時間觀測值曲線和角位移-時間觀測值曲線。

圖1 超聲速下外掛物風(fēng)洞投放試驗圖片F(xiàn)ig.1 Image of supersonic wind tunnel drop-model test for jettison of airborne external stores

圖2 超聲速下外掛物風(fēng)洞投放試驗曲線Fig.2 Curves of supersonic wind tunnel drop-model test for jettison of airborne external stores

2.2 子母彈/重塊拋撒投放

與飛機外掛物/內(nèi)埋武器投放只在一個方向投放不同,子母彈/重塊拋撒投放通常在周向?qū)ΨQ分布進行拋撒投放,因此通常是同時拋撒多個模型,且一般都是有投放力的投放分離。

在相似準(zhǔn)則的選取上通常也是采用輕模型法,因此在上、下兩個方向上,由于重力加速度不足,向下投放的模型加速度偏小,因而試驗結(jié)果是偏保守,而向上拋撒的模型加速度偏大,因而試驗結(jié)果是偏樂觀的。

重塊由于體積通常較小,在工作段尺寸較大的風(fēng)洞(如1.2 m量級及以上)中進行試驗的話,其尺寸縮比可以取得很小,在此情況下重塊的拋撒投放模擬可以考慮采用重模型法來進行。因為較小的尺寸縮比較易找到符合密度要求的材料,同時既使采用較小的尺寸縮比,其體積和質(zhì)量仍然較小,試驗成本不會增加很大,對風(fēng)洞壁的損傷危險也較小。另外,較小的尺寸縮比還可以避免縮比后重塊的體積過小而導(dǎo)致其飛行軌跡及姿態(tài)等不易辨認(rèn)。

在投放分離參數(shù)的模擬問題上,需根據(jù)不同具體情況來選擇使用氣缸或者彈簧。由于通常需要在母彈彈徑相對的方向上同時放置兩個氣缸或彈簧來模擬投放力,通?？s比后的母彈彈徑尺寸空間難以允許兩個氣缸系統(tǒng)的布置。同時子彈或重塊的質(zhì)量相對于母彈均較小,因此該類試驗通常所需的投放力也均較小,采用彈簧即可實現(xiàn)對投放力的模擬。因此該類試驗通常都是選擇彈簧來模擬投放力,但在尺寸縮比比例較小的情況下,母彈彈徑有時也有足夠的空間放置氣缸系統(tǒng),此時也可以采用氣缸系統(tǒng)。

子母彈/重塊雖然投放前多位于彈艙內(nèi),但風(fēng)洞啟動的沖擊載荷問題依然不可忽略,個別試驗中重塊突出于母彈彈體外,此時則需設(shè)計保護機構(gòu),以在流場啟動時保護模型不被沖擊載荷沖掉。

2.3 頭罩/導(dǎo)彈殼片分離投放

與子母彈/重塊拋撒投放較為類似,導(dǎo)彈殼片分離投放通常也是在周向?qū)ΨQ分布進行拋撒投放,而頭罩通常是兩個半罩同時拋撒投放。

頭罩/導(dǎo)彈殼片分離投放通常也是采用有投放力的投放分離方式。頭罩/導(dǎo)彈殼片分離投放的特點也即共同點是——二者均為薄殼類模型的拋撒,而薄殼類模型的特點使得投放試驗中無論是投放力的施加,還是投放后模型的飛行姿態(tài)以及軌跡,均與前兩種投放試驗有些差異。

在相似準(zhǔn)則的選取上通常也是采用輕模型法。與子母彈/重塊拋撒投放的情況相同,其重力加速度不足對試驗結(jié)果的影響也是下半罩/殼片投放試驗結(jié)果偏保守,上半罩/殼片投放試驗結(jié)果偏樂觀。

由于頭罩/導(dǎo)彈殼片均為薄殼模型,且出于保護風(fēng)洞等考慮,通常采用鋁等較軟的材料,因此氣缸較大的瞬時投放沖擊力易造成其變形或損壞,試驗中通常采用彈簧來實現(xiàn)對投放力的模擬。

頭罩/導(dǎo)彈殼片位于母彈的表面,因此試驗中將直接經(jīng)受風(fēng)洞啟動沖擊載荷的沖擊,其投放解鎖前的鎖緊定位需較為牢靠,必要時需要設(shè)計保護機構(gòu)。

圖3所示為在超聲速下進行的頭罩分離風(fēng)洞投放試驗圖片。圖4為該頭罩分離風(fēng)洞投放試驗獲得的線位移-時間曲線和角位移-時間曲線(圖中實線為采用多項式擬合的平滑處理過的數(shù)據(jù)曲線)。圖5為該試驗獲得的頭罩分離線速度-時間曲線和角速度-時間曲線。圖6為線加速度-時間曲線和角加速度-時間曲線。

圖3 超聲速下頭罩分離風(fēng)洞投放試驗圖片F(xiàn)ig.3 Image of supersonic wind tunnel dropmodel test for shroud separation

圖4 超聲速下頭罩分離風(fēng)洞投放試驗位移曲線Fig.4 Displacement curves of supersonic wind tunnel drop-model test for shroud separation

圖5 超聲速下頭罩分離風(fēng)洞投放試驗速度曲線Fig.5 Velocity curves of supersonic wind tunnel drop-model test for shroud separation

圖6 超聲速下頭罩分離風(fēng)洞投放試驗加速度曲線Fig.6 Acceleration curves of supersonic wind tunnel drop-model test for shroud separation

3 結(jié) 論

相似準(zhǔn)則的選取、投放分離參數(shù)的模擬問題、風(fēng)洞啟動時流場對投放物模型的沖擊載荷問題以及數(shù)據(jù)處理方法,是對高速風(fēng)洞投放模型試驗技術(shù)有較大影響的幾個關(guān)鍵問題,其具體選取原則/處理方法需要在試驗時引起足夠的重視,以確保試驗的順利進行和試驗結(jié)果的精準(zhǔn)度。

高速風(fēng)洞投放模型試驗的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,從投放試驗的技術(shù)特點來區(qū)分,可分為飛機外掛物/內(nèi)埋武器投放、子母彈拋撒/重塊拋撒,以及頭罩/導(dǎo)彈殼片分離三大類試驗,每一類試驗在具體的試驗技術(shù)以及上述關(guān)鍵問題的解決上都具有一定特點。

作為研究多體分離問題的一種有效手段,高速風(fēng)洞投放模型試驗具有其他研究手段不可替代的優(yōu)點。不斷改進和提高試驗技術(shù)水平是多體分離問題研究的需要,以實現(xiàn)為型號設(shè)計部門提供更加準(zhǔn)確的分離安全性結(jié)果,為型號研制的成功完成提供保障。

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Critical problems and applied fields of drop-model testing technique in high speed wind tunnel

Jiang Zenghui*,Song Wei,Lu Wei,Chen Nong
(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing100074,China)

Based onexperiences gained from drop-model tests in high speed wind tunnel, several critical problems are summarized for the test technique.Those problems are significantly important,and have great effect on the test results.The problems are,respectively,the choice of scaling laws,accurate simulation of separation parameters,instantaneous impact force exerted on the store model at the time of wind tunnel starting,and data extraction.The principle to choose solving methods and operation procedures are provided for the four problems.A careful investigation is needed for the four critical problems before the wind tunnel test,which is helpful to insure high accuracy of the test results.Heavy Scaling can secure the correct path for the model,but it is hard to be applied.The Light Scaling is opposite to the Heavy Scaling,and is used much more commonly in wind tunnel drop-model test.However,corrections are needed for deficiency of vertical acceleration in the Light Scaling.The model ejector force is accomplished by using springs or air cylinders.The spring is easy to be operated,while its accuracy of simulation is lower than that of the air cylinder.When the wind tunnel starts up,the impingement of air current on the model always affects the operation or the result of the test.The experimental data are smoothed by a function of time,and then differentiated to acquire aerodynamic coefficients.The applied fields are introduced for drop-model testing technique in high speed wind tunnel. These fields can be classified as jettisons of airborne external stores or internal missile separation, submunition disperse or weights disperse,and shroud separation or cover separation.The specific test technique and its characteristic are analysed with respect to the four critical problems, including the choice of scaling laws,the effect of gravitational acceleration deficiency on the test results for the Light Mach Scaling,and the choice of simulation methods of separation parameters.The specific test images and curves,regarding displacement,velocity and acceleration,are present for different high speed wind tunnel drop-model tests.

multi-body separation;wind tunnel drop-model test;airborne external stores; internal missile;submunition;shroud separation;cover separation

V211.7

A

10.7638/kqdlxxb-2015.0195

0258-1825(2016)06-0744-07

2015-11-06;

2015-12-05

蔣增輝*(1980-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,高級工程師,研究方向:非定?？諝鈩恿W(xué)、超空泡流體動力學(xué).E-mail:jzhhit@163.com

蔣增輝,宋威,魯偉,等.高速風(fēng)洞投放模型試驗技術(shù)的關(guān)鍵問題及應(yīng)用領(lǐng)域[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2016,34(6):744-749,802.

10.7638/kqdlxxb-2015.0195 Jiang Z H,Song W,Lu W,et al.Critical problems and applied fields of drop-model testing technique in high speed wind tunnel[J].Acta Aerodynamica Sinica,2016,34(6):744-749,802.