朱國(guó)祥, 王 磊,*, 苑朝凱, 王 春

(1. 北京空天技術(shù)研究所, 北京 100074; 2. 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

0 引 言

多體分離(包括機(jī)彈分離、整流罩分離、級(jí)間分離等)預(yù)測(cè)是飛行器設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。分離過(guò)程直接關(guān)系到飛行器安全，非常關(guān)鍵。為避免低馬赫數(shù)飛行時(shí)高速進(jìn)氣道出現(xiàn)的不起動(dòng)問(wèn)題，通常會(huì)采用進(jìn)氣道整流罩，例如HyCAUSE[1]、HIFiRE[2]、HyFly[3]、HyShot[4]飛行器都利用進(jìn)氣道整流罩改善低馬赫數(shù)氣動(dòng)性能。該類(lèi)整流罩在分離過(guò)程中存在復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象(如復(fù)雜的激波干涉、強(qiáng)烈的非定常流動(dòng)等)，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離軌跡，就必須復(fù)現(xiàn)分離體之間復(fù)雜的激波干擾和非定常流動(dòng)，這是高速分離預(yù)測(cè)面臨

的一大難題。

高速分離預(yù)測(cè)目前主要依靠CFD計(jì)算，通常采用非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格方法[5- 6]或重疊網(wǎng)格方法[7- 8]與六自由度方程結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部件間的運(yùn)動(dòng)模擬。盡管CFD在很大程度上能夠反映分離的流場(chǎng)特性，但仍需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，地面驗(yàn)證試驗(yàn)必不可少。

在分離試驗(yàn)方面，目前較為成熟的是軌跡捕獲試驗(yàn)技術(shù)(CTS)，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低速機(jī)彈分離試驗(yàn)和級(jí)間分離試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)FL- 31風(fēng)洞開(kāi)展了馬赫數(shù)6.97的助推器和再入體分離試驗(yàn)[9]以及子母彈分離干擾測(cè)力試驗(yàn)[10]，為高速風(fēng)洞CTS試驗(yàn)技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。對(duì)于高速多體分離，CTS試驗(yàn)還存在3個(gè)不足：(1) CTS屬于準(zhǔn)定常試驗(yàn)，不能真實(shí)反映分離過(guò)程的非定常特性；(2) 薄壁結(jié)構(gòu)整流罩沒(méi)有空間安裝測(cè)力天平，如安裝則會(huì)破壞外形，無(wú)法準(zhǔn)確模擬流動(dòng)特征；(3) 整流罩分離姿態(tài)角變化范圍往往較大(有可能超過(guò)180°)，而CTS試驗(yàn)機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)如此大范圍的姿態(tài)變化。因此，CTS試驗(yàn)還無(wú)法完全滿(mǎn)足高速分離的試驗(yàn)需求，有必要發(fā)展動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)技術(shù)。

在動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)方面，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了一些嘗試性試驗(yàn)。美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心的9號(hào)超高速風(fēng)洞開(kāi)展了縮比30%、風(fēng)洞動(dòng)壓25psia[11]以及全尺度、風(fēng)洞動(dòng)壓90psia的前體整流罩分離試驗(yàn)[12]，復(fù)現(xiàn)了馬赫數(shù)8、動(dòng)壓90psia飛行條件下的整流罩分離，展示了該風(fēng)洞開(kāi)展分離試驗(yàn)的能力。美國(guó)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)評(píng)估中心將LENS II激波風(fēng)洞的有效運(yùn)行時(shí)間提高到100ms以上，成功實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)6全尺度進(jìn)氣道整流罩分離試驗(yàn)[13]。目前，國(guó)內(nèi)的高速動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)還未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。

本文針對(duì)一個(gè)帶有整流罩的二維進(jìn)氣道前體模型，在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所JF- 12激波風(fēng)洞中開(kāi)展動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)研究，主要解決以下試驗(yàn)技術(shù)問(wèn)題：

(1) 與低速分離試驗(yàn)不同，在高速條件下，重力對(duì)分離過(guò)程影響較小，若按照低速分離試驗(yàn)相似準(zhǔn)則，可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)不可行，為此，本文推導(dǎo)了適用于高速動(dòng)態(tài)分離的相似準(zhǔn)則。

(2) 高速下的分離過(guò)程通常僅持續(xù)數(shù)十毫秒，而高速相機(jī)幀頻通常在2000幀/s左右，難以拍攝出清晰的分離體。本文提出直接觀測(cè)、間接觀測(cè)和標(biāo)識(shí)點(diǎn)觀測(cè)等3種可行的方法，解決高速分離體的軌跡觀測(cè)難題。

(3) 激波風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間短，對(duì)試驗(yàn)時(shí)序的控制提出了更高要求。本文結(jié)合激波風(fēng)洞運(yùn)行特點(diǎn)確定有效可靠的觸發(fā)信號(hào)，建立精確的時(shí)序控制技術(shù)。

(4) 采取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)洞防護(hù)措施，避免高速分離體破壞風(fēng)洞和測(cè)量設(shè)備。

基于以上試驗(yàn)技術(shù)，利用低動(dòng)壓(50kPa)試驗(yàn)條件模擬高動(dòng)壓(100kPa)條件下的全尺度動(dòng)態(tài)分離過(guò)程。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閹в姓髡值亩S進(jìn)氣道前體模型，其中前體模型全長(zhǎng)約2m，整流罩模型全長(zhǎng)800mm，如圖1所示。整流罩通過(guò)兩側(cè)的分離機(jī)構(gòu)和尾端的折彎片與前體連接。折彎片相當(dāng)于有阻尼的鉸鏈約束，當(dāng)折彎角度超過(guò)預(yù)設(shè)角度時(shí)就會(huì)斷裂。圖2為整流罩分離過(guò)程示意圖。分離前，整流罩固連在前體上(圖2的A)；在控制信號(hào)作用下，分離機(jī)構(gòu)解鎖，整流罩在氣動(dòng)力作用下開(kāi)始繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)(圖2的B)；達(dá)到預(yù)設(shè)角度時(shí)，整流罩與前體完全分離，在氣動(dòng)力作用下自由運(yùn)動(dòng)(圖2的C)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 整流罩分離過(guò)程示意圖

整流罩是一個(gè)薄壁結(jié)構(gòu)，分離機(jī)構(gòu)解鎖后，整流罩的受力類(lèi)似于懸臂梁，在分離過(guò)程中存在較大的彈性變形。

整流罩的動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)不但要模擬來(lái)流條件，還要模擬整流罩分離過(guò)程，除此之外，還需考核整流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。

本文假定整流罩分離狀態(tài)為馬赫數(shù)6、動(dòng)壓100kPa，在JF- 12激波風(fēng)洞中模擬該狀態(tài)下的分離過(guò)程。

1.2 JF- 12激波風(fēng)洞

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所JF- 12激波風(fēng)洞全長(zhǎng)265m，其中驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)99m，內(nèi)徑420mm；被驅(qū)動(dòng)段長(zhǎng)89m，內(nèi)徑720mm；噴管出口直徑1.5或2.5m；試驗(yàn)段直徑3.5m，長(zhǎng)11m。如圖3所示。直徑2.5m的噴管出口截面流場(chǎng)均勻區(qū)為2.0m，有效運(yùn)行時(shí)間在120ms以上。

圖3 JF- 12激波風(fēng)洞示意圖[14]

JF- 12激波風(fēng)洞典型模擬參數(shù)見(jiàn)表1。其模擬的總溫比常規(guī)高速風(fēng)洞更高，但動(dòng)壓模擬能力低于整流罩分離狀態(tài)的動(dòng)壓。

表1 JF- 12激波風(fēng)洞典型運(yùn)行參數(shù)Table 1 Typical conditions of shock tunnel JF- 12

選擇JF- 12激波風(fēng)洞開(kāi)展動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)的主要原因是：(1) 激波風(fēng)洞試驗(yàn)段為直徑3.5m、長(zhǎng)11m的空管道，沒(méi)有重要的試驗(yàn)設(shè)備，風(fēng)洞防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)最小，非常適合開(kāi)展動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)；(2) 風(fēng)洞尺度大，可以采用全尺度模型，有利于分離機(jī)構(gòu)和模型質(zhì)量屬性的設(shè)計(jì)。

2 高速動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)相似準(zhǔn)則

2.1 高速動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)的特殊性

動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)要求有：(1) 模型幾何相似；(2) 模擬馬赫數(shù)相等；(3) 分離部件模型的質(zhì)心位置與真實(shí)狀態(tài)一致。

對(duì)于動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)，為保證模擬的分離軌跡與飛行條件一致，模型與實(shí)物必須動(dòng)力相似，即不僅要考慮作用在分離部件上的氣動(dòng)力，還必須考慮分離部件的慣性響應(yīng)與重力影響，即弗勞德數(shù)Fr相等[15- 16]：

(1)

式中，U為特征速度，L為特征長(zhǎng)度，g為重力加速度。下標(biāo)m和f分別表示風(fēng)洞模擬條件和真實(shí)飛行條件。由于gm=gf，所以：

(2)

式(2)明確了模型縮比由風(fēng)洞來(lái)流速度與飛行來(lái)流速度的比值唯一確定。低速分離試驗(yàn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)洞來(lái)流速度獲得合適的模型縮比；而高速風(fēng)洞的來(lái)流速度基本固定，若根據(jù)速度比例確定的模型縮比過(guò)大，則無(wú)法安裝分離機(jī)構(gòu)，極大地限制了地面試驗(yàn)的可行性。

實(shí)際上，與低速下的分離相比，高速下的分離存在特殊性。一方面，高速下的分離氣動(dòng)力遠(yuǎn)大于重力，且分離時(shí)間僅有兩三百毫秒，重力對(duì)分離軌跡的影響可以忽略；另一方面，試驗(yàn)?zāi)康牟煌瑢?duì)試驗(yàn)?zāi)M程度的要求也不同。因此，高速下的動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)不宜直接采用已有的低速投放試驗(yàn)相似準(zhǔn)則。本節(jié)依據(jù)模擬程度將分離試驗(yàn)分為3類(lèi)：動(dòng)態(tài)分離軌跡模擬、動(dòng)態(tài)分離非定常流動(dòng)特性模擬、氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)耦合作用分離軌跡模擬。

2.2 動(dòng)態(tài)分離軌跡模擬的相似參數(shù)

分離軌跡模擬是指模型和全尺寸實(shí)物分離過(guò)程的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡相似，繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的姿態(tài)相同，模擬的分離時(shí)間與飛行時(shí)間成比例關(guān)系，即分離部件的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)是完全同步的。

飛行條件下的分離部件位移Lf與風(fēng)洞條件下的位移Lm等于模型的尺度縮比kl，即：

(3)

式中，F(xiàn)為氣動(dòng)力，m為分離部件的質(zhì)量，t為分離時(shí)間。分離部件受到的氣動(dòng)力為：

F=q·Sref·C

(4)

式中，q為動(dòng)壓，Sref為參考面積,C為氣動(dòng)力系數(shù)。雷諾數(shù)Re對(duì)分離過(guò)程氣動(dòng)力系數(shù)的影響可忽略，所以Cm=Cf。

將式(4)代入式(3)可得：

(5)

式中，kq為飛行條件與風(fēng)洞條件的動(dòng)壓之比。

由于模型的姿態(tài)角θm(包括俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角)和實(shí)物的姿態(tài)角θf(wàn)應(yīng)相等，即：

(6)

式中，I為分離部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M為氣動(dòng)力矩。分離部件受到的氣動(dòng)力矩為(Lref為參考長(zhǎng)度)：

M=q·Sref·Lref·C

(7)

同樣忽略雷諾數(shù)Re的影響，即Cm=Cf。

將式(7)代入式(6)得：

(8)

結(jié)合式(5)和(8)，模擬分離軌跡時(shí)質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)滿(mǎn)足：

(9)

2.3 動(dòng)態(tài)分離非定常流動(dòng)特性模擬的相似參數(shù)

對(duì)于動(dòng)態(tài)分離非定常流動(dòng)特性的模擬試驗(yàn)，除了保證分離軌跡的模擬，還需要進(jìn)一步模擬時(shí)間尺度。

在運(yùn)動(dòng)軌跡相似的情況下，模型和實(shí)物的流動(dòng)尺度與幾何尺度之比相等，即：

(10)

式中，U∞m、U∞f分別表示飛行條件和風(fēng)洞條件的來(lái)流速度，ku為飛行條件與風(fēng)洞條件的特征速度之比。將式(10)代入式(5)和(9)，模型的質(zhì)量屬性就唯一確定，即：

(11)

(12)

可見(jiàn)，要模擬動(dòng)態(tài)分離過(guò)程的非定常流動(dòng)特性，模型的質(zhì)量屬性是由尺度縮比kl和來(lái)流密度比kρ唯一確定的。

對(duì)分離過(guò)程的姿態(tài)角進(jìn)一步展開(kāi)：

θm=θf(wàn)?ωm·tm=ωf·tf

(13)

式中，ω為分離部件的角速度。

將式(10)代入式(13)，可得：

(14)

式(14)是動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)的相似參數(shù)——減縮頻率[16]。在動(dòng)導(dǎo)數(shù)試驗(yàn)中，模型只有姿態(tài)角的變化，減縮頻率實(shí)際上是保證了姿態(tài)角變化的時(shí)間尺度與流動(dòng)尺度相匹配。動(dòng)態(tài)分離非定常特性的模擬試驗(yàn)，則是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步要求質(zhì)心平動(dòng)的時(shí)間尺度也與姿態(tài)角變化和流動(dòng)的時(shí)間尺度一致。

2.4 氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)耦合作用分離軌跡模擬的相似參數(shù)

由于動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)可以模擬實(shí)際分離過(guò)程的非定常氣動(dòng)力載荷，能夠反映出分離過(guò)程中約束突變導(dǎo)致的沖擊力等，因此動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)可以等效模擬氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)耦合作用以及分離機(jī)構(gòu)可行性等，實(shí)現(xiàn)分離方案的系統(tǒng)性驗(yàn)證。

來(lái)流動(dòng)壓直接決定了整流罩氣動(dòng)力大小，是該類(lèi)風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)。為模擬氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)的耦合作用，整流罩的質(zhì)量屬性首先應(yīng)滿(mǎn)足式(9)，同時(shí)整流罩的剛度K、強(qiáng)度σ的縮比等于動(dòng)壓比kq。

(15)

在保證外型面幾何相似的前提下，通過(guò)更換材質(zhì)或改變整流罩內(nèi)型面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法實(shí)現(xiàn)模型剛度、強(qiáng)度的縮比。為降低試驗(yàn)難度，應(yīng)盡可能選擇動(dòng)壓較高、尺度較大的風(fēng)洞，盡可能采用全尺度真實(shí)模型。

3 分離軌跡觀測(cè)及辨識(shí)技術(shù)

分離軌跡觀測(cè)的難點(diǎn)主要是由曝光時(shí)間短、模型亮度不足造成的。從解決模型亮度不足的角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究提出了3種可行的方法：直接觀測(cè)法、間接觀測(cè)法和標(biāo)識(shí)點(diǎn)觀測(cè)法。

3.1 直接觀測(cè)法

分離軌跡直接觀測(cè)法原理如圖4所示。該方法對(duì)移動(dòng)物體的漫反射亮度要求較高，需要高強(qiáng)度光源。但此類(lèi)光源屬于熱光源(如鎢燈、高壓鈉燈、脈沖氙燈等)，在高真空環(huán)境中燈體會(huì)爆炸，故需在試驗(yàn)段外布置此類(lèi)光源，或者將光源與外界大氣連通。例如，美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心在9號(hào)超高速風(fēng)洞中開(kāi)展的整流罩分離試驗(yàn)中，將20個(gè)1000W的石英燈以鋁盒和Lexan玻璃面板密封后，布置在試驗(yàn)段內(nèi)[11]。

圖4 分離軌跡直接觀測(cè)方法

3.2 間接觀測(cè)法

分離軌跡間接觀測(cè)法原理如圖5所示。高速相機(jī)間接觀測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體的影子，根據(jù)物體影子的邊緣獲得分離軌跡。該方法不需要強(qiáng)光源，但需要大面積的背景光(可采用LED燈板，冷光源，固態(tài)封裝，在真空環(huán)境中能正常工作)。根據(jù)風(fēng)洞和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那闆r，本文選擇該方法進(jìn)行軌跡觀測(cè)。

圖5 分離軌跡間接觀測(cè)方法

3.3 標(biāo)識(shí)點(diǎn)觀測(cè)法

標(biāo)識(shí)點(diǎn)觀測(cè)法是在分離部件上安裝高亮度LED點(diǎn)光源作為標(biāo)識(shí)點(diǎn)，高速相機(jī)可以記錄下標(biāo)識(shí)點(diǎn)的軌跡。該方法要求分離部件內(nèi)有足夠空間安裝LED點(diǎn)光源以及電池，不太適用于薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道整流罩。3.4 軌跡辨識(shí)

軌跡辨識(shí)是利用模型和背景在光強(qiáng)上存在的差異，識(shí)別出圖像中灰度梯度較大的點(diǎn)，這些點(diǎn)形成的邊界就是模型的邊緣，然后根據(jù)模型固定的幾何關(guān)系即可求出其質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)角變化。

由于高速流場(chǎng)中有激波存在，或者流場(chǎng)密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致獲取的圖像灰度分布不均勻，含有大量噪聲。噪聲在圖像中表現(xiàn)為灰度值快速變化的區(qū)域，這和模型邊緣具有相似的性質(zhì)(灰度梯度很大)。模型邊緣信息淹沒(méi)在大量噪聲中，提取難度加大，如果不對(duì)噪聲進(jìn)行處理，就會(huì)降低邊緣檢測(cè)精度。本文選用形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算來(lái)濾除噪聲。形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算完全刪除了不能包含結(jié)構(gòu)元素的對(duì)象區(qū)域，平滑了對(duì)象輪廓，斷開(kāi)了狹窄連接，去掉了細(xì)小突出部分，能夠較好地濾除流場(chǎng)圖像噪聲，其后通過(guò)邊緣檢測(cè)得到的模型邊緣清晰、連續(xù)、定位準(zhǔn)確。

作為示例，圖6給出了辨識(shí)出的某分離時(shí)刻下整流罩尾端下邊界灰度梯度較大的一系列點(diǎn)，以最小二乘法將其擬合為直線(xiàn)，該直線(xiàn)即為所要辨識(shí)的整流罩邊緣。

3.5 高速相機(jī)

為獲得分離部件的三維軌跡，試驗(yàn)中需在分離部件正側(cè)方和模型正下方分別布置1臺(tái)高速相機(jī)(幀頻3600幀/s，分辨率1024pixel×1024 pixel)，形成2個(gè)正交觀測(cè)面，以簡(jiǎn)化三維軌跡的處理。

高速相機(jī)布置于試驗(yàn)段內(nèi)，需解決其防護(hù)與散熱問(wèn)題。與直接觀測(cè)法的光源處理方法類(lèi)似，將高速相機(jī)置于密閉金屬盒內(nèi)，以抗壓軟管供電纜走線(xiàn)及空氣流通，如圖7所示。

圖6 某時(shí)刻整流罩尾端邊界辨識(shí)

圖7 高速相機(jī)保護(hù)裝置示意圖

4 精確時(shí)序控制技術(shù)

JF- 12激波風(fēng)洞有效運(yùn)行時(shí)間約120ms，如何在試驗(yàn)中有效進(jìn)行時(shí)序控制，也是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵。高精度同步控制系統(tǒng)采用的數(shù)字延時(shí)脈沖發(fā)生器，可提供4路獨(dú)立的延時(shí)通道和2路完整的脈沖輸出，延時(shí)分辨率高達(dá)5ps，通道之間的抖動(dòng)小于50ps。

經(jīng)多次試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，激波管駐室端的壓力傳感器(圖8中的P)信號(hào)躍升至風(fēng)洞流場(chǎng)完全建立所需時(shí)間基本維持在7ms左右，因此選取該壓力傳感器信號(hào)作為整個(gè)試驗(yàn)開(kāi)始的觸發(fā)信號(hào)，即試驗(yàn)時(shí)序的零點(diǎn)。

圖8 時(shí)序觸發(fā)信號(hào)傳感器位置示意圖

根據(jù)觸發(fā)信號(hào)制定了圖9所示的試驗(yàn)時(shí)序過(guò)程。駐室端壓力傳感器信號(hào)躍升，觸發(fā)時(shí)序控制系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)高速相機(jī)、脈動(dòng)壓力采集等測(cè)量設(shè)備(這些系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間都是微秒級(jí))。觸發(fā)信號(hào)后預(yù)留10ms以保證風(fēng)洞流場(chǎng)充分建立，然后觸發(fā)分離機(jī)構(gòu)信號(hào)。分離機(jī)構(gòu)解鎖時(shí)間在15ms以?xún)?nèi)，所以整流罩最晚在25ms時(shí)開(kāi)始分離。這樣的時(shí)序控制可以保證分離過(guò)程有效時(shí)間達(dá)到95ms以上，滿(mǎn)足分離運(yùn)動(dòng)對(duì)時(shí)間的需求。

圖9 整流罩分離試驗(yàn)時(shí)序

5 風(fēng)洞防護(hù)

高速分離整流罩掉落在風(fēng)洞內(nèi)存在較大破壞風(fēng)險(xiǎn)。由于激波風(fēng)洞試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有測(cè)量設(shè)備、閥門(mén)等，只需對(duì)整流罩可能的落點(diǎn)區(qū)進(jìn)行防護(hù)即可。若在常規(guī)高速風(fēng)洞內(nèi)開(kāi)展分離試驗(yàn)，應(yīng)盡可能將分離體回收，避免破壞風(fēng)洞設(shè)備。

在本試驗(yàn)中，整流罩向下分離會(huì)落到試驗(yàn)段下壁面。為此，在試驗(yàn)段底部120°的區(qū)域內(nèi)安裝可拆卸防護(hù)板，如圖10所示。同時(shí)，為防止整流罩分離與壁面碰撞后形成的高速碎片正面撞擊試驗(yàn)段底部，在試驗(yàn)段靠近尾端處安裝一張松弛的鋼絲防護(hù)網(wǎng)。

圖10 可拆卸移動(dòng)隔離板

6 動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)圖1所示的模型，在JF- 12激波風(fēng)洞中開(kāi)展分離方案系統(tǒng)性模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)采用全尺度模型，通過(guò)尾支撐安裝在JF- 12激波風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)，如圖11所示。為給整流罩提供較大的流場(chǎng)均勻區(qū)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在噴管軸線(xiàn)上方。采用間接觀測(cè)法進(jìn)行軌跡觀測(cè)，在模型側(cè)方安裝大塊LED燈作為背景光源，同時(shí)在模型另一側(cè)布置高速相機(jī)。

在馬赫數(shù)6時(shí)，JF- 12激波風(fēng)洞動(dòng)壓約50kPa。為模擬動(dòng)壓100kPa來(lái)流條件下的氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)耦合作用分離過(guò)程，整流罩質(zhì)量屬性需滿(mǎn)足式(9)和(15)。

圖11 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中的安裝示意

整流罩有繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和自由運(yùn)動(dòng)兩個(gè)過(guò)程，需考慮其繞定軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ioz和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Icz。整流罩的質(zhì)量屬性見(jiàn)表2。若試驗(yàn)為有側(cè)滑角狀態(tài)，還必須考慮其他兩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。整流罩質(zhì)量屬性的設(shè)計(jì)主要通過(guò)更換材質(zhì)和調(diào)節(jié)配重塊實(shí)現(xiàn)，通常先將質(zhì)量設(shè)計(jì)到最小允許值，然后在內(nèi)腔增加配重塊，依次調(diào)節(jié)質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量。整流罩質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的縮比也等于動(dòng)壓比，所以試驗(yàn)條件下的分離時(shí)間與模擬條件一致。

表2 整流罩的質(zhì)量屬性Table 2 Mass properties of shroud

利用CFD開(kāi)展了馬赫數(shù)6、動(dòng)壓100kPa條件下的動(dòng)態(tài)分離計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖12所示。

(a) 質(zhì)心位移量對(duì)比

(b) 角度對(duì)比

試驗(yàn)與CFD計(jì)算的位移量一致，58ms以前的角度也基本一致；而在58ms后，角度出現(xiàn)差異，這個(gè)差異主要是由于CFD未模擬結(jié)構(gòu)彈性而導(dǎo)致的(試驗(yàn)中，整流罩出現(xiàn)較大變形，尤其是折彎片斷裂后，整流罩尾端彈性變形力釋放，導(dǎo)致角度差異較大)。

7 結(jié) 論

針對(duì)高速動(dòng)態(tài)分離試驗(yàn)難題，結(jié)合高速動(dòng)態(tài)分離特點(diǎn)，忽略重力影響，并按模擬程度將分離試驗(yàn)分為動(dòng)態(tài)分離軌跡模擬、分離過(guò)程非定常流動(dòng)特性模擬、氣動(dòng)- 結(jié)構(gòu)耦合作用分離軌跡模擬等3類(lèi)試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了相似準(zhǔn)則要求，提升了高速動(dòng)態(tài)分離風(fēng)洞試驗(yàn)的可行性。針對(duì)帶有整流罩的二維進(jìn)氣道前體模型，在JF- 12激波風(fēng)洞中以低動(dòng)壓風(fēng)洞試驗(yàn)條件成功模擬高動(dòng)壓分離條件全尺度動(dòng)態(tài)分離過(guò)程，試驗(yàn)獲得的分離軌跡與CFD計(jì)算結(jié)果基本一致，相互印證，表明了試驗(yàn)技術(shù)的可行性。采用本文試驗(yàn)方法，JF- 12激波風(fēng)洞具備了開(kāi)展全尺度模型或?qū)嵨飫?dòng)態(tài)分離試驗(yàn)的能力。