多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

蔣增輝，宋威，賈區(qū)耀，陳農(nóng)

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

蔣增輝*，宋威，賈區(qū)耀，陳農(nóng)

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074)

根據(jù)作者多年從事多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的原理及特點(diǎn)、相似準(zhǔn)則、試驗(yàn)裝置等技術(shù)要點(diǎn)作了介紹，并根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域的不同對(duì)其進(jìn)行了分類(lèi)，對(duì)不同類(lèi)型多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的特點(diǎn)作了詳細(xì)描述，并給出了不同類(lèi)型實(shí)例的試驗(yàn)圖像及分離體飛行軌跡曲線(xiàn)。

多體分離;風(fēng)洞自由飛試驗(yàn);級(jí)間分離;子母彈拋撒

0 引言

作為飛行器動(dòng)態(tài)特性研究中的一種重要手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展了多類(lèi)物理問(wèn)題的研究，以往主要關(guān)注于飛行器靜、動(dòng)穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)的獲?。?-7］以及對(duì)大迎角狀態(tài)下飛行器氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的非線(xiàn)性進(jìn)行分析［8-11］。隨著試驗(yàn)技術(shù)水平的提高，以及適應(yīng)多體分離試驗(yàn)的研究需要，風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的應(yīng)用已拓展到了多體分離的研究領(lǐng)域。

由于風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)能比較真實(shí)地模擬飛行器飛行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此在風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上開(kāi)展的多體分離試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多體分離過(guò)程中各分離體之間運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的相似，同時(shí)可較為直觀地通過(guò)觀察窗直接觀察到分離狀態(tài)，因此成為多體分離問(wèn)題研究中一種獨(dú)特而又十分有效的手段。

美國(guó)CUBRC的研究人員開(kāi)展了多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，并對(duì)LENSⅡ風(fēng)洞進(jìn)行了修改，以適應(yīng)開(kāi)展多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的需要［12-13］。國(guó)內(nèi)中科院力學(xué)所［14］和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心［15］曾在20世紀(jì)80年代開(kāi)展過(guò)該方面的研究。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院也在同時(shí)期開(kāi)展了該方面研究且一直堅(jiān)持至今，在多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用方面開(kāi)展了較多工作，積累了較多經(jīng)驗(yàn)。

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的出現(xiàn)，既是多體分離問(wèn)題研究發(fā)展的需要，也是風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)在研究領(lǐng)域上的拓展。本文將根據(jù)作者多年從事多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這項(xiàng)特種風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的原理及特點(diǎn)、相似準(zhǔn)則、主要技術(shù)要點(diǎn)以及技術(shù)的分類(lèi)和應(yīng)用作介紹和總結(jié)概括，使相關(guān)領(lǐng)域研究人員增進(jìn)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的了解，并將其加以推廣。

1 試驗(yàn)技術(shù)原理及特點(diǎn)

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)也即在風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展的多體分離試驗(yàn)，其原理是使預(yù)先將各分離體鎖緊為一體的飛行器模型，在風(fēng)洞流場(chǎng)中迎氣流方向發(fā)射，使其自由飛行至觀察窗處時(shí)，分離解鎖裝置觸發(fā)解鎖，從而使各分離體實(shí)現(xiàn)分離，同時(shí)通過(guò)高速攝像等記錄設(shè)備對(duì)各分離體分離過(guò)程及分離前后飛行軌跡進(jìn)行拍攝記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)多體之間分離時(shí)的干擾特性及運(yùn)動(dòng)軌跡的研究。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可分為四個(gè)階段，如圖1所示的以級(jí)間分離為例的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)過(guò)程原理示意圖。第I階段，模型作為一個(gè)整體由發(fā)射裝置迎著風(fēng)洞氣流方向發(fā)射入流場(chǎng);第II階段，模型自由飛入觀察窗范圍，高速攝影開(kāi)始對(duì)其飛行軌跡進(jìn)行拍攝記錄，此時(shí)模型前后級(jí)仍未分離;第III階段，分離解鎖機(jī)構(gòu)解鎖，模型前后級(jí)開(kāi)始分離;第IV階段，分離過(guò)程完成，模型前、后級(jí)各自飛出觀察窗。

圖1 多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)過(guò)程原理示意圖Fig.1 Schem atic of w ind tunnel free-flight test for multi-bodies separation

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)既具備風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的所有特點(diǎn)，又具有其獨(dú)特的要求，難度也比后者要大。其嚴(yán)格模擬飛行器外型及各分離體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括質(zhì)心、質(zhì)量、慣量以及解鎖方式、分離力的大小、形式等，試驗(yàn)中各分離體均按與真實(shí)飛行具有相似性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不受約束地“自由”飛行，能夠充分反應(yīng)多體分離過(guò)程的運(yùn)動(dòng)與氣動(dòng)耦合規(guī)律，是非常接近真實(shí)飛行氣動(dòng)特征的地面模擬試驗(yàn)方法。其對(duì)分離瞬間瞬態(tài)氣動(dòng)力的模擬只有風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)可以與其媲美，但其對(duì)飛行器自由飛行狀態(tài)下多體分離過(guò)程中分離體相互之間的干擾特性模擬卻是后者無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

難度較大是其不利的一面。由于風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)本身具有一定難度，而在其基礎(chǔ)上再實(shí)現(xiàn)多體分離的研究，不但要實(shí)現(xiàn)模型各分離體的相似設(shè)計(jì)，還要使試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中自由飛行的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)有效的分離解鎖控制以及分離參數(shù)的準(zhǔn)確模擬，以及高速攝像機(jī)對(duì)分離過(guò)程的同步拍攝控制等，這些都使得試驗(yàn)難度進(jìn)一步提升。

2 相似準(zhǔn)則

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)不但需要滿(mǎn)足通常風(fēng)洞試驗(yàn)所要求的氣動(dòng)相似準(zhǔn)則，而且作為風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的一種特殊情況，又必須滿(mǎn)足風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)對(duì)動(dòng)力相似模擬的要求。同時(shí)，其相似準(zhǔn)則還有一些較為特殊的要求，由于飛行器分離過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，分離過(guò)程中作用在分離體上的氣動(dòng)力與分離體之間的距離、相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)，因此試驗(yàn)過(guò)程中，任一時(shí)刻分離體之間相對(duì)位置、相對(duì)速度均需與飛行器分離過(guò)程相似，否則氣動(dòng)力可能相差極大，風(fēng)洞試驗(yàn)與飛行分離結(jié)果將不一致。

因此多體分離過(guò)程除需滿(mǎn)足上述氣動(dòng)相似準(zhǔn)則以外，還需滿(mǎn)足對(duì)分離力/相對(duì)分離速度的相似模擬。此外，試驗(yàn)中作自由飛行的所有分離體均需滿(mǎn)足同樣的動(dòng)力學(xué)相似模擬準(zhǔn)則，也即各分離體其幾何、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等也必須滿(mǎn)足同樣的相似準(zhǔn)則，即

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)準(zhǔn)則與普通風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一致，但要求所有分離體的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均需滿(mǎn)足相同的相似關(guān)系。模型通常采用薄殼(通常為鋁)加高密度內(nèi)核結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)于尺寸大小相差較為懸殊的分離體中較小的分離體，如子母彈拋撒試驗(yàn)中的子彈，可采用模型實(shí)體部分挖空并加配重的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 試驗(yàn)裝置

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置可分為兩大項(xiàng)，分別為:風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)裝置和分離解鎖機(jī)構(gòu)。其中，分離解鎖機(jī)構(gòu)是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)所需的特殊試驗(yàn)裝置。

4.1 風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)裝置

由于多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)本身即是風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的一種特殊形式，因此風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置均是試驗(yàn)所需要的，如模型發(fā)射機(jī)構(gòu)、記錄設(shè)備、同步控制設(shè)備及光路系統(tǒng)等均是試驗(yàn)所需要的，且與普通風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的要求相同。如通常采用高速攝像機(jī)來(lái)對(duì)分離體的分離過(guò)程和飛行軌跡進(jìn)行記錄，分離過(guò)程是瞬態(tài)動(dòng)態(tài)過(guò)程，一般僅有幾十毫秒;而為了對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行更為準(zhǔn)確的觀察和記錄，采用雙光路來(lái)進(jìn)行拍攝更佳;采用同步控制儀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型發(fā)射系統(tǒng)和高速攝像機(jī)的同步啟動(dòng)控制等。由于這些裝置在關(guān)于普通風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的文獻(xiàn)中已有較多介紹［16］，本文不做贅述。

4.2 分離解鎖機(jī)構(gòu)

分離解鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)有效實(shí)現(xiàn)的最重要環(huán)節(jié)，也是試驗(yàn)中難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)。分離解鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)能夠保證解鎖前對(duì)各分離體的鎖定可靠，解鎖機(jī)構(gòu)觸發(fā)后能迅速實(shí)現(xiàn)解鎖，并滿(mǎn)足分離瞬間各分離體的相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)等分離參數(shù)要求。為了保證高速攝像機(jī)能夠捕捉到分離的整個(gè)過(guò)程，需保證模型部分或全部飛至風(fēng)洞觀察窗處時(shí)，分離解鎖裝置即實(shí)現(xiàn)解鎖，過(guò)早或過(guò)遲解鎖均會(huì)導(dǎo)致對(duì)分離過(guò)程的記錄不全，因此分離解鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需考慮到對(duì)分離解鎖時(shí)間的準(zhǔn)確控制。分離解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)分離過(guò)程的實(shí)現(xiàn)影響非常大，高質(zhì)量的分離解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)分離過(guò)程高質(zhì)量試驗(yàn)?zāi)M的重要保證。

分離力或相對(duì)分離速度的模擬通常采用彈簧機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔ］^小，對(duì)彈簧參數(shù)的設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)存在一定的限制，在模型能夠提供給彈簧的空間過(guò)小的情況下合理設(shè)計(jì)彈簧參數(shù)，使其既保證對(duì)分離力或相對(duì)分離速度的模擬，又能適應(yīng)模型尺寸的要求通常是需要克服而又較為關(guān)鍵的難題。

5 試驗(yàn)技術(shù)分類(lèi)

根據(jù)不同多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的特點(diǎn)，結(jié)合曾開(kāi)展過(guò)的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的實(shí)例，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)可分為級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)、子母彈(或殼片)拋撒分離、以及復(fù)雜情況的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)(如帶發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力的級(jí)間分離)等，下面給出各種多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的具體詳細(xì)介紹。

5.1 級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

運(yùn)載火箭、遠(yuǎn)程洲際彈道導(dǎo)彈等飛行器在爬升飛行段需要助推器(I級(jí))提供動(dòng)力，當(dāng)爬升飛行到一定高度時(shí)，I級(jí)與II級(jí)分離，也即級(jí)間分離。級(jí)間分離過(guò)程中流場(chǎng)較為復(fù)雜，包括外流以及前后兩級(jí)或多級(jí)連接部分的相互干擾，涉及到激波干擾、分離流和旋渦等現(xiàn)象。I級(jí)與II級(jí)分離過(guò)程中，I級(jí)處于II級(jí)尾部流場(chǎng)中，II級(jí)飛行來(lái)流與I級(jí)之間也會(huì)形成復(fù)雜的瞬態(tài)分離氣動(dòng)力，這對(duì)II級(jí)和I級(jí)運(yùn)動(dòng)軌跡和分離特性產(chǎn)生較大影響。

級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)即是基于模擬飛行器的級(jí)間分離過(guò)程，在風(fēng)洞中模擬自由飛行狀態(tài)下的飛行器相鄰子級(jí)之間的分離，以確定前后兩級(jí)分離體在級(jí)間分離過(guò)程中所承受的氣動(dòng)特性與運(yùn)動(dòng)特性，為總體及控制系統(tǒng)級(jí)間分離方案設(shè)計(jì)與飛行控制系統(tǒng)提供依據(jù)。級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的各分離體之間的體積和質(zhì)量通常相差不大，且其分離方式通常為軸向分離。確保試驗(yàn)準(zhǔn)確完成的主要工作在于分離解鎖機(jī)構(gòu)及分離狀態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)要合理可靠。

試驗(yàn)可通過(guò)高速攝影的拍攝記錄直接觀察在風(fēng)洞中的模型分離是否能夠安全完成。前后兩級(jí)能夠正常且不發(fā)生碰撞的分離是級(jí)間分離成功的標(biāo)志［17］，已開(kāi)展的級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明:馬赫數(shù)、動(dòng)壓(或飛行高度)、級(jí)間相對(duì)分離速度、分離時(shí)刻飛行器迎角等均對(duì)分離安全有影響。在針對(duì)具體的飛行器開(kāi)展級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)時(shí)，上述因素均是在試驗(yàn)中需要考慮的因素，從而通過(guò)風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)得出該飛行器的安全分離邊界。圖2所示為曾開(kāi)展的級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)示例圖像。圖3為與圖2對(duì)應(yīng)的、由高速攝影的拍攝記錄獲得的級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)中模型前、后級(jí)飛行軌跡(質(zhì)心位移)。

圖2 級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)示例Fig.2 Imagess of w ind tunnel free-flight test for stage separation

圖3 級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓啊⒑蠹?jí)飛行軌跡Fig.3 Flight path of the models in w ind tunnel freeflight test for stage separation

5.2 拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)是在風(fēng)洞中模擬一個(gè)或多個(gè)體積和質(zhì)量均相對(duì)較小的子彈(或殼片)從自由飛行狀態(tài)下的母彈分離拋撒出去的分離試驗(yàn)。由于母彈和子彈均在風(fēng)洞中作不受約束的自由飛行，因而試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)的在風(fēng)洞中模擬實(shí)際飛行狀態(tài)下的子母彈分離過(guò)程及其相互影響和干擾。

拋撒分離在彈道武器中應(yīng)用十分廣泛，如子母彈、反輻射彈等。拋撒分離首先要考慮的就是拋撒分離的安全性問(wèn)題，也即子彈等被拋撒物不能與母彈彈體、尾舵等部件發(fā)生碰撞，另外拋撒分離完成后子彈等被拋撒物的動(dòng)態(tài)飛行軌跡往往也是需要關(guān)注的問(wèn)題，如子母彈拋撒問(wèn)題中子彈群落點(diǎn)分布的形狀、大小及其均勻程度，直接影響子母彈毀傷目標(biāo)的效果。

考慮到風(fēng)洞及觀察窗尺寸等因素，通常來(lái)說(shuō)，子彈等被拋撒物與母彈的尺寸相比不能過(guò)大，通常為保證母彈在觀察窗范圍內(nèi)自由飛行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拋撒分離，母彈要比觀察窗直徑至少小一倍，因而如子彈與母彈相比尺寸過(guò)小，則可能會(huì)使子彈的尺寸過(guò)小而使得分離過(guò)程無(wú)法清晰觀察到。

與級(jí)間分離試驗(yàn)不同的是，拋撒分離試驗(yàn)的分離方式通常為徑向分離，只有個(gè)別情況下是軸向分離。與級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)相比，拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的解鎖機(jī)構(gòu)通常要復(fù)雜一些，因?yàn)橥ǔ伻龇蛛x試驗(yàn)的子彈數(shù)量較多，且位于周向的不同的位置，有時(shí)甚至位于不同截面，因此分離解鎖機(jī)構(gòu)要能實(shí)現(xiàn)同時(shí)或分批解鎖。分離解鎖機(jī)構(gòu)的不同是拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)與級(jí)間分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)的較大不同之處。

從已開(kāi)展的拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，影響拋撒分離的因素較多，如子彈拋撒速度、拋撒角速度、穿越激波影響、分離時(shí)刻飛行器迎角、Ma數(shù)、動(dòng)壓(或飛行高度)等。而在有迎角情況下，迎風(fēng)面和背風(fēng)面，以及處于迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間的拋撒分離情況也不同。此外，彈艙的形式對(duì)分離安全也存在影響。子母彈拋撒的分離方式如前向分離、側(cè)向分離和后向分離等分離方式對(duì)分離安全的影響也不同。

上述因素均對(duì)拋撒分離的安全分離條件和分離散布規(guī)律存在影響，因而也均是具體的飛行器拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)中需要考慮的因素，通過(guò)開(kāi)展拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)可以對(duì)上述因素的影響進(jìn)行分析研究，并進(jìn)而得出該飛行器拋撒分離的安全邊界。分離后子彈的飛行軌跡可根據(jù)試驗(yàn)中高速攝影的拍攝記錄來(lái)進(jìn)行研究。圖4所示為曾開(kāi)展的子母彈拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)示例圖像。圖5所示為與圖4(a)對(duì)應(yīng)的、由高速攝影的拍攝記錄獲得的子母彈拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)中母彈和四個(gè)子彈的飛行軌跡(質(zhì)心位移)。

圖4 子母彈拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)示例Fig.4 Images of w ind tunnel free-flight test for submunition dispersing

圖5 子母彈拋撒分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋w行軌跡Fig.5 Flight path of the models in w ind tunnel free-flight test for submunition dispersing

5.3 復(fù)雜情況的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

前面所述的兩種多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)均只包含“自由飛行”和“多體分離”兩項(xiàng)模擬要素。而有些飛行器的多體分離情況要更為復(fù)雜一些，僅考慮上述兩種因素來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)將不能準(zhǔn)確模擬實(shí)際飛行過(guò)程中的多體分離過(guò)程，因此試驗(yàn)需要在以上兩個(gè)要素基礎(chǔ)上再增加一些模擬要素才能滿(mǎn)足模擬要求。

如有些飛行器級(jí)間分離時(shí)刻，I級(jí)(如助推級(jí))尚存在剩余發(fā)動(dòng)機(jī)推力，在剩余推力持續(xù)工作的短暫時(shí)間內(nèi)，對(duì)“自由飛行”的I級(jí)助推器產(chǎn)生一個(gè)軸向附加速度，該附加的軸向速度與級(jí)間相對(duì)分離速度相比若不可忽略，則將對(duì)飛行器的級(jí)間分離特性產(chǎn)生影響，此種情況下所開(kāi)展的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，就必須在自由飛行和多體分離兩項(xiàng)要素之外再增加對(duì)助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力的模擬。模擬因素的增加帶來(lái)的困難不僅是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力的準(zhǔn)確模擬，由于縮比后模型內(nèi)空間有限，模擬因素的增加往往也會(huì)使得分離解鎖機(jī)構(gòu)能夠作動(dòng)作的空間減少，因此通常會(huì)大大增加試驗(yàn)的分離解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。另外，空間的有限對(duì)于增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力的準(zhǔn)確模擬也是一個(gè)難題。因此，增加模擬因素后的復(fù)雜多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)通常在分離解鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)新的模擬因素的準(zhǔn)確模擬上增加較多難度。

由于模擬因素增加，對(duì)新增的模擬因素也需考慮相似，如考慮助推級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)剩余推力的級(jí)間分離試驗(yàn)，即需考慮對(duì)附加推力的相似模擬?？捎筛郊油屏?duì)飛行器所做的功，采用能量的相似律得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕细郊油屏?yīng)作的功，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)中附加推力大小的設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)復(fù)雜情況的多體分離進(jìn)行模擬將可實(shí)現(xiàn)對(duì)多體分離過(guò)程更為準(zhǔn)確的模擬，從而更加準(zhǔn)確地確定分離體在分離過(guò)程中所承受的氣動(dòng)特性與運(yùn)動(dòng)特性。從技術(shù)上來(lái)講，復(fù)雜情況多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，也是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

6 結(jié)論

作為在風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種更加復(fù)雜的試驗(yàn)技術(shù)，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)具有能夠比較真實(shí)地模擬飛行器自由飛行狀態(tài)下的多體分離過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，且其整個(gè)分離過(guò)程可通過(guò)高速攝影等試驗(yàn)圖像記錄設(shè)備直接進(jìn)行觀察，是多體分離問(wèn)題研究中的一種獨(dú)特而又十分有效的手段。

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)從最初的僅單純模擬自由飛行狀態(tài)下的級(jí)間分離、拋撒分離，已發(fā)展到考慮其他因素模擬的復(fù)雜情況下的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，從而使其對(duì)多體分離過(guò)程的模擬更加準(zhǔn)確，進(jìn)而為總體及控制系統(tǒng)多體分離方案設(shè)計(jì)與飛行控制系統(tǒng)提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)。

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W ind tunnel free-flight test for multi-bodies separation

Jiang Zenghui*，Song Wei，Jia Quyao，Chen Nong
(China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

The technique of wind tunnel free-flight test for multi-bodies separation，a more complicated wind tunnel special test technique，has been developed.With this new technique，the multibodies separation process of the aircraft can be simulated more accurately，and the whole separation process can be recorded by the high-speed camera.The technique is introduced in detail，include the principle，characteristic，test model design，similarity criteria，and test apparatus.Based on the different characteristic and application fields，the technique of wind tunnel free-flight test for multi-bodies separation can be classified as stage separation，submunition separating from dispenser and multi-bodies separation with additional constraints.Detailed specification is given for each type.The test images and flight path curves of each separated-body are presented.According to the above presentation，the technique of wind tunnel free-flight test for multi-bodies separation，can be well understand and easily adopted by more researchers engaged in wind tunnel test.

multi-bodies separation;wind tunnel free-flight test;stage separation;submunition disperse

V211.7;V212.1

A

10.7638/kqdlxxb-2014.0137

0258-1825(2016)05-0581-06

2014-12-12;

2015-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(11202200)

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

蔣增輝，宋威，賈區(qū)耀，等.多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2016，34(5):581-586.

10.7638/kqdlxxb-2014.0137 Jiang Z H，Song W，Jia Q Y，et al.Wind tunnel free-flight test for multi-bodies separation［J］.Acta Aerodynamica Sinica，2016，34(5):581-586.