解福田，張慶虎，林敬周，*，彭 迪，陳 磊

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽(yáng) 621000；2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

因關(guān)系到飛行成敗，飛行器多體分離時(shí)的氣動(dòng)干擾問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)[1-2]。不斷有學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)[1]研究多體分離問(wèn)題，如導(dǎo)彈助推子級(jí)分離[2-3]、保護(hù)罩分離[4]、機(jī)彈分離 [5-7]等。但對(duì)于體積和質(zhì)量相當(dāng)?shù)膬杉?jí)入軌空天飛行器（two-stage-toorbit, TSTO），其并聯(lián)級(jí)間分離問(wèn)題的研究還比較少。近年來(lái)，TSTO 因具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)現(xiàn)性而獲得了科學(xué)家們更廣泛的關(guān)注[8-10]。TSTO 并聯(lián)飛行器的助推級(jí)一般具有大升力面，分離時(shí)氣動(dòng)干擾對(duì)飛行器氣動(dòng)力/力矩的影響較大，氣動(dòng)干擾也更加復(fù)雜，特別是高馬赫數(shù)高動(dòng)壓下，分離使氣動(dòng)干擾問(wèn)題更加突出。高超聲速TSTO 并聯(lián)分離往往發(fā)生在中低空大動(dòng)壓條件下，級(jí)間存在著復(fù)雜的強(qiáng)激波干擾[11]，兩級(jí)頭部激波常常能直接作用到彼此表面，形成同時(shí)包含多個(gè)激波反射、激波與激波干擾、激波與邊界層干擾等[12-14]的復(fù)雜三維波系結(jié)構(gòu)，改變級(jí)間壓力和溫度分布，進(jìn)而改變飛行器的壓心、力和力矩，顯著影響飛行器的穩(wěn)定性、分離安全性和熱載荷分布等。獲得分離氣動(dòng)干擾特性、探索影響分離特性的主要因素和氣動(dòng)干擾規(guī)律對(duì)TSTO 分離安全性評(píng)估具有重要意義。

國(guó)外較早開(kāi)展了并聯(lián)兩級(jí)分離氣動(dòng)特性和流動(dòng)機(jī)理的研究，并取得了一定進(jìn)展。Moelyadi 等開(kāi)展了馬赫數(shù)4 到馬赫數(shù)7 定常和非定常情況下兩級(jí)分離氣動(dòng)特性機(jī)理研究[15-16]，模擬結(jié)果展示了兩級(jí)之間產(chǎn)生的入射激波、反射激波和膨脹波所帶來(lái)的強(qiáng)烈的氣動(dòng)干擾問(wèn)題，特別是在初始分離時(shí)刻，激波帶來(lái)的氣動(dòng)干擾給升力和俯仰力矩的預(yù)測(cè)精度帶來(lái)了較大影響。Chaplin 等[17]研究了Ma= 3 時(shí)細(xì)長(zhǎng)體之間的干擾，研究發(fā)現(xiàn)由激波入射引起的法向力和俯仰力矩最大改變分別發(fā)生在等效入射角為?2.7°和6°時(shí)。Laurence 等[18]研究了高超聲速下圓柱和球體之間的干擾特性，發(fā)現(xiàn)二級(jí)下游的干擾誘導(dǎo)產(chǎn)生了較大升阻力，且當(dāng)二級(jí)下游位于主體弓形激波內(nèi)時(shí)干擾現(xiàn)象最嚴(yán)重，這一情況的主要影響因素是入射激波與邊界層的相互作用（shock wave boundary layer interactions, SBLI）。早期研究表明SBLI 會(huì)在激波入射區(qū)域產(chǎn)生局部高壓和強(qiáng)烈的加熱現(xiàn)象，這是高速飛行器中最受關(guān)注的氣動(dòng)問(wèn)題[19-20]。非定常壓力載荷是SBLI 影響飛行器性能和安全的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[21]。國(guó)內(nèi)王元靖等[22]開(kāi)展了并聯(lián)圓柱體外形分離過(guò)程中的氣動(dòng)干擾試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再入體處在助推器頭部激波區(qū)域內(nèi)，再入體受到的氣動(dòng)干擾較小，而當(dāng)再入體穿越過(guò)助推器頭部激波時(shí)，受到的氣動(dòng)干擾急劇增大。林敬周等[23]建立了高超聲速雙體軌跡捕獲試驗(yàn)技術(shù)，從氣動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)軌跡兩個(gè)方面分析了兩級(jí)分離特性。王粵等[24]采用數(shù)值方法研究了簡(jiǎn)化并聯(lián)二維楔形體分離流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與軌道級(jí)抬升角的關(guān)系。

上述研究對(duì)象多為錐柱體外形或者二維楔形體，與真實(shí)大升力體外形存在差異。同時(shí)，關(guān)注的物理量主要是氣動(dòng)力、分離軌跡、姿態(tài)角[25-26]，缺少壁面壓力、溫度等。激波/邊界層干擾及其他因素導(dǎo)致的局部熱流峰值和壓力脈動(dòng)現(xiàn)象等，對(duì)飛行器外形、熱防護(hù)、控制系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有十分重要的影響[11]。為獲得級(jí)間激波/邊界層干擾下的高分辨率大面積連續(xù)壓力和溫度分布規(guī)律，需要開(kāi)展級(jí)間壁面壓力、溫度等物理量的精細(xì)化測(cè)量試驗(yàn)。

本文基于壓敏漆（pressure sensitive paint, PSP）/溫敏漆（temperature sensitive paint, TSP）測(cè)量技術(shù)開(kāi)展了TSTO 并聯(lián)分離級(jí)間模型表面壓力和溫度特性的研究[27]。以某TSTO 并聯(lián)兩級(jí)入軌飛行器標(biāo)模[28]為研究對(duì)象，該標(biāo)模級(jí)間壁面是被測(cè)量表面。Φ0.5 m高超聲速風(fēng)洞PSP/TSP 光路位于試驗(yàn)段和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕戏?，所研究的TSTO 模型軌道級(jí)對(duì)兩級(jí)測(cè)量表面均形成大面積遮擋，光路無(wú)法穿透軌道級(jí)模型到達(dá)級(jí)間被測(cè)量區(qū)域。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種可以在有遮擋條件下實(shí)現(xiàn)并聯(lián)兩級(jí)模型級(jí)間表面壓力、溫度同步測(cè)量的PSP/TSP 測(cè)量方法，獲得了級(jí)間干擾氣動(dòng)特性。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c關(guān)鍵測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本項(xiàng)試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的FD-30B（Φ0.5 m）常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中開(kāi)展。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。由于更關(guān)注級(jí)間區(qū)域模型表面的壓力/溫度分布，為降低風(fēng)洞堵塞度，在原始外形[28]（圖1（a））基礎(chǔ)上，本文對(duì)模型級(jí)間區(qū)域表面之外的助推級(jí)（一級(jí)）進(jìn)行了縮減調(diào)整。在不影響測(cè)量結(jié)果的情況下盡量減小一級(jí)模型寬度?？紤]超出部分對(duì)級(jí)間測(cè)量面的壓力/溫度分布影響較小，模型兩側(cè)保留頭部大后掠角側(cè)緣，切除沿側(cè)緣線向后延伸超出的部分。不考慮兩級(jí)模型垂尾和舵偏的影響。

圖1 TSTO 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼{(diào)整過(guò)程Fig. 1 Simplification of the TSTO test model

一級(jí)模型原上表面為平直表面，下表面為弧形曲面。為了降低一級(jí)模型下表面弧形曲面的玻璃窗口加工難度和光路畸變，將一級(jí)模型下表面調(diào)整為平直表面。同時(shí)，對(duì)軌道級(jí)模型做適當(dāng)修整，去掉了背部垂尾和體襟翼。調(diào)整后模型如圖1（b）所示。本文簡(jiǎn)化處理的部件遠(yuǎn)離測(cè)量表面（級(jí)間區(qū)域），已在前期工作中對(duì)簡(jiǎn)化外形開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算，流線、壓力分布和激波結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果均表明簡(jiǎn)化部分的流動(dòng)改變不會(huì)對(duì)級(jí)間區(qū)域產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。

1.2 有遮擋條件下的測(cè)試方法

由于軌道級(jí)模型位于助推級(jí)模型之上，想要獲取級(jí)間流動(dòng)特性，采用PSP/TSP 光源直接照射模型表面、圖像采集系統(tǒng)捕獲壓力/溫度信息的傳統(tǒng)方法已不再適用。為解決有遮擋條件下的壓力/溫度測(cè)量難題，本文提出以金屬模型為主體、一級(jí)模型局部開(kāi)設(shè)上下表面兩層石英光學(xué)玻璃窗口的方法。綜合考慮透光率、加熱影響及氣流雜質(zhì)沖擊等因素，經(jīng)仿真驗(yàn)證，兩層光學(xué)玻璃厚度均設(shè)計(jì)為5 mm；為降低風(fēng)洞氣流沖擊和模型震動(dòng)的影響，光學(xué)玻璃與金屬模型之間設(shè)置0.2～0.5 mm 厚的緩沖涂層。

模型裝置設(shè)計(jì)為反裝方式，以便充分利用一級(jí)模型具有較大水平投影面積、更利于開(kāi)設(shè)石英玻璃窗口的優(yōu)勢(shì)（圖2）。為降低支撐干擾[29]，兩級(jí)模型均采用尾支撐方式，且一級(jí)尾支撐設(shè)計(jì)成“H”形，以減少對(duì)光路的遮擋。為提高法向級(jí)間距的調(diào)節(jié)精度，設(shè)計(jì)了連續(xù)調(diào)節(jié)裝置，在支撐裝置上設(shè)計(jì)了多個(gè)可相對(duì)滑動(dòng)的卡槽螺桿和可在任意位置停留的鎖緊裝置。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图?jí)間距連續(xù)調(diào)節(jié)裝置Fig. 2 Device for continuous adjustment of the stage spacing of the test model

如圖3（a）所示，二級(jí)模型測(cè)量面Ⅱ在進(jìn)行壓力和溫度測(cè)量時(shí)，對(duì)稱噴涂PSP/TSP 涂層；采用周?chē)c(diǎn)雙線性插值法恢復(fù)中線的壓力和溫度數(shù)據(jù)；模型表面布設(shè)測(cè)壓孔，以獲得掃描閥壓力數(shù)據(jù)，用于原位校準(zhǔn)（on-site calibration[30]），提高PSP 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度；測(cè)壓孔處PSP 數(shù)據(jù)采用高斯濾波法修復(fù)。TSP 測(cè)量工作獲得溫度分布數(shù)據(jù)的同時(shí)，也可利用這些數(shù)據(jù)對(duì)PSP 數(shù)據(jù)的溫度效應(yīng)進(jìn)行修正。一級(jí)模型上下表面光學(xué)玻璃（圖3（b））均不作處理，僅用于光路透過(guò)。

圖3 PSP/TSP 噴涂效果及測(cè)量裝置Fig. 3 PSP/TSP spraying effect and the measurement device

如圖3（c）所示，一級(jí)模型測(cè)量面Ⅰ在進(jìn)行壓力和溫度測(cè)量時(shí)，模型上表面光學(xué)玻璃用于透光，下表面光學(xué)玻璃則對(duì)稱噴涂PSP/TSP 涂層。為避免二級(jí)模型發(fā)光分子信號(hào)的干擾，測(cè)量面Ⅱ的涂層全部清除，并噴涂黑色啞光漆，以減小模型表面散射光的影響。由于一級(jí)模型光學(xué)玻璃表面不宜開(kāi)設(shè)測(cè)壓孔，所以用于PSP 原位校準(zhǔn)的掃描閥壓力數(shù)據(jù)來(lái)自于單獨(dú)設(shè)計(jì)的金屬蓋板的測(cè)壓數(shù)據(jù)。PSP 和TSP 涂料對(duì)稱分布在一級(jí)模型表面。

試驗(yàn)時(shí)，光源和相機(jī)以幾乎垂直的視角安裝于模型上方，以獲得最大分辨率。光源和相機(jī)固定在試驗(yàn)段外的支撐裝置上，不與試驗(yàn)段接觸，以避免試驗(yàn)段部件振動(dòng)對(duì)其帶來(lái)的干擾。光源和相機(jī)共用試驗(yàn)段上方開(kāi)設(shè)了直徑Φ200 mm 的觀察窗口。窗口距模型約1250 mm，相機(jī)上加濾光片并調(diào)整拍攝角度以消除玻璃窗口反射對(duì)相機(jī)造成的二次干擾。二級(jí)和一級(jí)模型的光路分別如圖4 和圖5 所示。圖6 給出了PSP/TSP 發(fā)光分子被激發(fā)后的模型照片。

圖4 二級(jí)模型測(cè)量裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the measurement system of the second-stage model

圖5 一級(jí)模型測(cè)量裝置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the measurement system of the first-stage model

圖6 試驗(yàn)段內(nèi)二級(jí)模型PSP/TSP 涂料激發(fā)照片F(xiàn)ig. 6 Snapshot of the second-stage model illuminated with PSP/TSP under test

2 試驗(yàn)工況

風(fēng)洞來(lái)流馬赫數(shù)Ma∞=6，總溫T0=497 K，動(dòng)壓q∞=30 kPa，對(duì)應(yīng)飛行高度H∞=30 km。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜖顟B(tài)Table 1 States of the test model

模型級(jí)間距Δy/L定義為兩級(jí)相對(duì)初始位模型法向位移Δy與參考長(zhǎng)度L之比，如圖7 所示，其中參考長(zhǎng)度L為二級(jí)模型長(zhǎng)度,d0為初始相對(duì)距離，d0=1.875 mm。

為降低溫度效應(yīng)影響，根據(jù)TSP 測(cè)量結(jié)果對(duì)模型不同工況下的PSP 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度修正，再結(jié)合測(cè)壓孔數(shù)據(jù)進(jìn)行在線標(biāo)定。由于不同車(chē)次的來(lái)流靜壓不同，為便于比較，壓力數(shù)據(jù)以無(wú)量綱壓力系數(shù)Cp給出：

其中，p∞為來(lái)流靜壓，p為測(cè)點(diǎn)壓力。

3 并聯(lián)級(jí)間分離氣動(dòng)干擾特性

3.1 級(jí)間激波系結(jié)構(gòu)

圖8 給出了不同級(jí)間距下的風(fēng)洞試驗(yàn)紋影截圖及數(shù)值模擬獲得的密度云圖，可以看出兩者顯示的流場(chǎng)波系結(jié)構(gòu)基本一致。從圖8（a）可以看到，級(jí)間距Δy/L= 0.014 時(shí)，級(jí)間流場(chǎng)呈現(xiàn)出典型的縫隙流動(dòng)，除了二級(jí)頭部激波入射至一級(jí)上壁面，激波/邊界層干擾引起的流動(dòng)分離所產(chǎn)生的分離激波及第一道反射激波外，級(jí)間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波系結(jié)構(gòu)。從圖8（b）可以看到，級(jí)間距Δy/L= 0.043 時(shí)，隨著級(jí)間距增大，級(jí)間波系結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，激波在級(jí)間多次反射，并在上下壁面引起流動(dòng)分離，形成了典型的小通道流動(dòng)。隨著級(jí)間距的進(jìn)一步增大，Δy/L= 0.114 時(shí)，級(jí)間激波反射距離增加，反射次數(shù)明顯減少，僅出現(xiàn)兩次反射。此外，圖8（c）中清晰可見(jiàn)第一次反射激波入射至二級(jí)下壁面，引起邊界層流動(dòng)分離所產(chǎn)生的分離激波。

圖8 攻角α1,2=0°時(shí)不同級(jí)間距下紋影截圖Fig. 8 Schlieren snapshots of the model with different state spacing under the angle of attack α1,2 = 0°

為了弄清楚Δy/L= 0.014 時(shí)的級(jí)間激波結(jié)構(gòu)，結(jié)合兩級(jí)模型中線壓力分布曲線和壁面壓力分布云圖進(jìn)行分析。如圖9 所示，子圖（a）為一級(jí)模型Cp~x/L曲線，子圖（e）為二級(jí)模型Cp~x/L曲線。保持曲線圖和壓力云圖的x/L坐標(biāo)值一致，均縮放調(diào)整至0～1 范圍內(nèi)，并對(duì)齊。從紋影圖中可知，在小級(jí)間距時(shí)，二級(jí)頭部激波SW1（示意圖中紅色虛線）與邊界層干擾，一級(jí)模型壁面產(chǎn)生了一個(gè)清晰可見(jiàn)的分離激波DW1（示意圖中的藍(lán)色虛線）。結(jié)合壓力分布不難推出：分離激波入射到二級(jí)下壁面DE1 處形成二級(jí)模型的第一個(gè)壓力峰值，反射后在一級(jí)模型上壁面DE2 處形成一級(jí)模型的第二個(gè)壓力峰值，再次反射后在二級(jí)模型下壁面DE3 處形成二級(jí)模型的第四個(gè)峰值。紋影圖中顯示，二級(jí)模型頭部激波SW1 入射至一級(jí)模型上壁面SE1 處并反射，從一級(jí)模型Cp曲線可知，在反射點(diǎn)SE1 處形成了一級(jí)模型的第一個(gè)壓力峰值。SW1 在SE1 反射后入射至二級(jí)模型壁面SE2 處，從二級(jí)模型Cp曲線可以看出，在SE2 處形成了二級(jí)模型的第二個(gè)峰值；SW1 從SE2 反射達(dá)到一級(jí)模型壁面，在SE3 處形成一級(jí)模型的第三個(gè)峰值。而二級(jí)模型第三個(gè)峰值點(diǎn)無(wú)法對(duì)應(yīng)到SW1 和DW1，推測(cè)認(rèn)為，在一級(jí)模型壁面DE2 點(diǎn)之前存在一道分離激波DW2（綠色實(shí)線），DW2 入射至二級(jí)模型壁面后形成了二級(jí)模型Cp曲線上的第三個(gè)峰值。由此可見(jiàn)，在Δy/L= 0.014 的極小級(jí)間距下，頭部激波干擾較強(qiáng)，容易誘導(dǎo)流動(dòng)分離，分離激波與頭部激波同時(shí)在級(jí)間不斷反射，共同改變了模型壁面壓力。級(jí)間兩條主激波的反射激波系結(jié)構(gòu)解釋了級(jí)間壁面密集的壓力突變，該壓力突變并非二級(jí)頭部激波單一反射干擾形成的。

圖9 攻角α1,2=0°時(shí)Δy/L = 0.014 級(jí)間距下激波結(jié)構(gòu)Fig. 9 Shock structure for the model with stage spacing Δy/L = 0.014 under the angle of attack α1,2 = 0°

3.2 級(jí)間壁面壓力分布特征

圖10 給出了基于PSP 測(cè)量技術(shù)獲得的上下模型表面壓力云圖、中心壓力曲線和級(jí)間激波結(jié)構(gòu)示意圖。從不同級(jí)間距的波系結(jié)構(gòu)看，隨著分離距離的變化，波系結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較快的位置改變，級(jí)間距越小，頭部激波干擾位置越靠前且強(qiáng)度越高，同時(shí)級(jí)間激波反射次數(shù)和壓力突變點(diǎn)也越多。由壓力云圖可見(jiàn)，3 種級(jí)間距下，激波入射后，級(jí)間上下壁面的壓力明顯升高；相應(yīng)模型中心線上的壓力分布也出現(xiàn)多個(gè)峰值，且峰值出現(xiàn)位置與激波入射位置相對(duì)應(yīng)；隨著激波在級(jí)間不斷反射，激波強(qiáng)度逐漸減弱，壓力峰值也不斷下降。

圖10 攻角α1,2=0°時(shí)不同級(jí)間距下模型表面壓力系數(shù)分布Fig. 10 Pressure distribution on the model with different stage spacing under the angle of attack α1,2=0°

對(duì)于Δy/L= 0.014 的縫隙流，兩級(jí)壓力峰值主要出現(xiàn)在級(jí)間前段（x/L≤0.45），中后段未見(jiàn)明顯壓力峰值，這與圖8（a）除前段外，級(jí)間未見(jiàn)明顯波系結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特征吻合。由激波入射處壁面壓力會(huì)明顯抬升形成壓力峰值可以判斷，來(lái)自二級(jí)模型頭部激波的一級(jí)模型上壁面第一道激波，其入射位置位于x/L=0.22 附近；來(lái)自二級(jí)模型壁面反射的第二道激波，其入射位置位于x/L= 0.42 附近。而二級(jí)模型下壁面引起第一個(gè)壓力峰值的入射激波來(lái)自于一級(jí)模型表面激波/邊界層干擾形成的分離激波，其位置位于x/L=0.26 處；位于x/L= 0.34 附近的第二個(gè)壓力峰值則由一級(jí)模型壁面的反射激波引起。從Cp~x/L曲線可以看出，激波經(jīng)反射后強(qiáng)度衰減較快，一級(jí)模型第一個(gè)壓力系數(shù)峰值為0.34，第二個(gè)壓力系數(shù)峰值則下降至0.13；相應(yīng)地，二級(jí)模型的兩個(gè)壓力系數(shù)峰值分別為0.29 和0.18。

對(duì)于Δy/L= 0.043 的小通道流，整個(gè)級(jí)間區(qū)域出現(xiàn)多次激波反射；隨著反射次數(shù)增多，激波強(qiáng)度逐漸減弱，壓力躍升減小。一級(jí)模型激波反射點(diǎn)位置分別位于x/L= 0.28、0.75、1.1 附近，二級(jí)模型激波反射點(diǎn)位置分別位于x/L= 0.42、0.8 附近。

對(duì)于Δy/L= 0.114，由于接近大通道流，可以看出相較于小通道流動(dòng)，激波反射點(diǎn)間距加長(zhǎng)，反射點(diǎn)位置后移，致使級(jí)間反射明顯減少，反射點(diǎn)僅出現(xiàn)在一級(jí)模型上壁面x/L= 0.5 和二級(jí)模型下壁面x/L= 0.84附近。

總的來(lái)說(shuō)，級(jí)間存在多次激波反射時(shí)，第一次激波入射區(qū)域的干擾最為強(qiáng)烈，隨著級(jí)間距增大，壓力峰值降低且峰值位置明顯后移。這表明級(jí)間距越小，干擾越靠前，級(jí)間激波/邊界層干擾對(duì)飛行器兩級(jí)氣動(dòng)特性的影響越大。

由以上分析可知，受頭部激波和頭部激波的反射激波干擾影響，兩級(jí)模型中線上的壓力呈現(xiàn)有多個(gè)峰值的特點(diǎn)。隨著級(jí)間距增大，激波強(qiáng)度減弱，干擾后壓力峰值減小。隨著x/L距離增大，激波反射次數(shù)增加，反射激波干擾明顯減弱，激波干擾后能量降低、強(qiáng)度減弱，壓力峰值也相應(yīng)下降。級(jí)間距增大和x/L距離增大均能導(dǎo)致壓力峰值減小，但兩者原因不同。由于無(wú)法預(yù)知哪種情況導(dǎo)致的壓力峰值衰減更快，為找到壓力峰值衰減的規(guī)律，本文匯總了一級(jí)、二級(jí)模型在三個(gè)級(jí)間距下的中線處的全部壓力峰值位置數(shù)據(jù)。由于本試驗(yàn)觀測(cè)的級(jí)間距只有3 種，數(shù)量較少，所以選擇了x/L作為主要變量，得到了壓力系數(shù)峰值Cp_max和橫向坐標(biāo)x/L之間的關(guān)系，如圖11所示。由此圖可以發(fā)現(xiàn)，壓力峰值大小與峰值橫向位置高度相關(guān)，隨著峰值位置后移，峰值呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律下降，上下兩級(jí)模型壓力峰值均在同一條曲線上。該曲線反映了激波干擾強(qiáng)度隨干擾距離、激波反射次數(shù)的綜合衰減速度。整體上，隨干擾位置后移，激波強(qiáng)度減弱，干擾強(qiáng)度、衰減速度也相應(yīng)減小。

圖11 不同級(jí)間距下模型表面壓力系數(shù)峰值分布Fig. 11 Peak pressure distributions on the model with different stage spacing

3.3 級(jí)間表面溫度分布特征

TSP 涂料的耐沖刷特性良好，在氣流的沖刷下溫度分布細(xì)節(jié)保持得更加完整。

圖12 給出了基于TSP 技術(shù)獲得的模型表面第1 秒時(shí)刻的溫度分布，可以看出，在二級(jí)模型頭部激波入射前，一級(jí)模型上表面的無(wú)干擾區(qū)域最高溫度約55 ℃，干擾后區(qū)域的最高溫度約83 ℃?？梢?jiàn)，入射激波使得氣流急劇壓縮，導(dǎo)致模型表面溫度顯著升高。對(duì)比兩級(jí)模型表面的整體溫度分布可知，二級(jí)模型表面最高溫度約62 ℃，明顯低于一級(jí)模型表面最高溫度。這除了因?yàn)榉瓷浼げ◤?qiáng)度逐漸減弱外，還因?yàn)槎?jí)模型表面金屬材料熱導(dǎo)率高于一級(jí)模型表面石英玻璃熱導(dǎo)率。

圖12 攻角α1,2=0°時(shí)不同級(jí)間距下模型表面溫度分布Fig. 12 Temperature distributions on the model with different stage spacing under the angle of attack α1,2=0

由圖12 中沿模型中心線的溫度分布曲線可以看出：

對(duì)于Δy/L= 0.014 的縫隙流，在x/L≤0.45 范圍內(nèi)，一級(jí)模型表面出現(xiàn)兩個(gè)遞減的顯著溫度峰值，其值分別為83 ℃和75 ℃；而中后段溫度分布則逐漸趨于激波干擾前的溫度分布。二級(jí)模型表面的兩個(gè)溫度峰值分別為62 ℃和56 ℃，這與圖10 的壓力分布特征相匹配—激波入射之處壓力和溫度均明顯升高。

對(duì)于Δy/L= 0.043 的小通道流，激波在級(jí)間區(qū)域來(lái)回反射，所到之處均有引起壁面溫度躍升；但隨著反射次數(shù)的增加，激波強(qiáng)度減弱，溫度峰值降低。

對(duì)于Δy/L= 0.114，由于接近大通道流，可以看出相較于小通道流動(dòng)，此時(shí)的激波反射次數(shù)明顯減少，隨著級(jí)間距的增大，溫度峰值顯著減小。

圖13 給出了采集圖像過(guò)程中第1 秒到第3 秒時(shí)刻的模型表面溫升分布?？梢钥闯觯Ｐ捅砻婕げ▍^(qū)域溫升明顯高于其他區(qū)域。此外，由于模型材質(zhì)的導(dǎo)熱性能有所差異，一級(jí)模型的整體溫升稍大。從模型中心線附近的溫升分布可以看出，一級(jí)模型中段受反射激波的影響，溫升先升高后降低；二級(jí)模型頭部激波的波后溫升先降低，在中部保持較低水平，在尾部反射激波區(qū)域再上升。隨著級(jí)間距增大，入射至模型表面的激波強(qiáng)度減弱，激波區(qū)域的溫升峰值也逐漸降低。

無(wú)論溫度值還是溫升分布都與壓力分布規(guī)律相似，不同的是溫度曲線峰值附近溫度變化較平緩，這顯示了受模型傳熱的影響，溫度變化沒(méi)有壓力變化劇烈。溫升主要由激波干擾引起，其分布與流場(chǎng)激波結(jié)構(gòu)一致。此外，不同級(jí)間距下溫度峰值，特別是溫升的峰值，差異較小。二級(jí)模型的溫度分布受到模型材質(zhì)影響，與激波結(jié)構(gòu)差異較大。

從圖14 中可以看出，隨著激波干擾位置后移，不同峰值位置的溫度近似呈線性下降關(guān)系，這表明激波干擾強(qiáng)度逐漸減弱。與壓力分布不同，溫度下降趨勢(shì)比較平緩，且兩個(gè)模型的溫度峰值不在同一條曲線上。這主要是因?yàn)槎?jí)模型為金屬材質(zhì)，干擾點(diǎn)熱量快速向低溫區(qū)傳遞，導(dǎo)致溫度峰值低于一級(jí)模型。

圖14 不同級(jí)間距下模型表面峰值溫度分布Fig. 14 Peak temperature distribution on the model with different stage spacing

綜上，二級(jí)模型頭部激波在兩級(jí)模型間來(lái)回反射，產(chǎn)生復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成多個(gè)壓力峰值和溫度峰值，隨著反射次數(shù)的增加，激波強(qiáng)度衰減，峰值減小；隨著級(jí)間距增大，二級(jí)模型頭部激波入射位置后移，入射激波前的壓力和溫升恢復(fù)至激波干擾前的特征。

4 結(jié) 論

本文基于PSP/TSP 測(cè)量技術(shù)開(kāi)展了并聯(lián)TSTO標(biāo)模級(jí)間干擾特性試驗(yàn)研究，獲得了級(jí)間干擾區(qū)域的壓力和溫度分布特性。研究結(jié)果表明：

1）頭部激波干擾產(chǎn)生的級(jí)間流動(dòng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)從縫隙流到小通道流再到大通道流的流動(dòng)特征。處于小通道流時(shí)，頭部激波入射至壁面后，在兩級(jí)之間多次反射，形成復(fù)雜“激波串”結(jié)構(gòu)。隨著級(jí)間距增大，激波反射次數(shù)減少，反射點(diǎn)位置后移，直至脫離模型。

2）級(jí)間壁面中心線壓力在反射點(diǎn)附近形成多個(gè)壓力峰值，其中第一道入射激波最強(qiáng)，干擾產(chǎn)生的壓力峰值也最大；隨著激波反射次數(shù)增加，其強(qiáng)度不斷減弱，壓力峰值也逐漸降低。從平面分布特征看，頭部激波和側(cè)緣激波在壁面形成了弧形壓力干擾區(qū)，中心點(diǎn)壓力最高，兩側(cè)壓力逐漸降低。級(jí)間距越小，激波干擾越劇烈，最大壓力峰值位置也越靠前；級(jí)間距改變了壓力抬升位置和峰值，進(jìn)而改變了不同級(jí)間距下的氣動(dòng)力干擾量。

3）激波/邊界層干擾顯著增加了模型級(jí)間壁面局部溫度。隨著級(jí)間距的增大，激波/邊界層干擾幾乎影響了整個(gè)級(jí)間區(qū)域，但溫度峰值是逐漸降低的。

本文當(dāng)前給出的壓力分布特性主要基于PSP測(cè)量的時(shí)均結(jié)果，更多展示的是級(jí)間干擾流場(chǎng)的定常壓力分布特性，后續(xù)將針對(duì)級(jí)間干擾流場(chǎng)的非定常效應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

致謝：感謝中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院沈清、陳蘭、胡靜等在TSTO 標(biāo)模多體分離特性研究中的支持，感謝中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所范孝華為本次研究提供數(shù)值模擬支持。