高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷讐簻y量方法研究

謝 飛，郭雷濤，張紹武，曹 程，鄒瓊芬

高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷讐簻y量方法研究

謝 飛＊，郭雷濤，張紹武，曹 程，鄒瓊芬

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

針對高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷讐簻y量誤差較大而導(dǎo)致模型底阻難以精確扣除的問題，在Φ1m高超聲速風(fēng)洞中開展了3種底壓測量方法的對比研究，即電子掃描壓力測量方法、低壓力差壓傳感器測量方法和微型絕壓傳感器測量方法，并在馬赫數(shù)6試驗(yàn)條件下開展了HB－2標(biāo)模和某導(dǎo)彈模型試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用微型絕壓傳感器進(jìn)行模型底部壓力測量能避免測壓管路的影響，可快速響應(yīng)高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞繅毫ψ兓闆r，有效提高模型底壓的測量精準(zhǔn)度。

高超聲速風(fēng)洞；底壓；壓力傳感器；電子掃描壓力測量

0 引 言

隨著先進(jìn)導(dǎo)彈武器和高超聲速飛行器綜合性能的不斷提高，型號研制人員對高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求進(jìn)一步增加，尤其是關(guān)系到導(dǎo)彈作戰(zhàn)半徑的阻力其精確測量要求更為嚴(yán)格。如何準(zhǔn)確測量出風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞繅毫Γê喎Q“底壓”）對準(zhǔn)確獲取模型總阻力尤為重要［1－3］。

底部流問題在飛行器設(shè)計(jì)工程應(yīng)用中，主要依靠理論、風(fēng)洞模擬和全尺寸飛行試驗(yàn)等各種手段的相關(guān)分析，預(yù)測底部壓力和底部熱流［4－8］。由于底部問題本身的復(fù)雜性，盡管底壓測量的試驗(yàn)研究已經(jīng)有了較長的歷史，但在公布的高超聲速范圍內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還相對較少，高超聲速風(fēng)洞中詳細(xì)的底壓測量方法介紹并不多見。李其暢等采用振動筒式壓力傳感器測參考壓力與常規(guī)差壓傳感器測壓差相結(jié)合的方法在FL－31高超聲速風(fēng)洞中對某彈頭底壓進(jìn)行了測量［9］，由于傳感器測量范圍和精度等試驗(yàn)條件的限制，存在參考壓力測量不準(zhǔn)確，測壓管路響應(yīng)時間較長等問題。

在高超聲速條件下模型底部壓力的影響因素較多，而且模型底部的壓力通常只有幾百帕甚至更低，因此，如何準(zhǔn)確獲取模型底部的壓力是高超聲速風(fēng)洞中面臨的試驗(yàn)技術(shù)難題，特別是在測力試驗(yàn)的同時進(jìn)行模型底壓測量而準(zhǔn)確扣除模型底阻更為困難。為了提高模型底壓測量準(zhǔn)度，通常只能采用增加階梯數(shù)及階梯間的穩(wěn)壓時間，而高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行時間通常只有幾十秒，這樣就會降低試驗(yàn)效率，當(dāng)較高馬赫數(shù)，模型底壓只有一兩百帕?xí)r，穩(wěn)壓時間幾乎和風(fēng)洞運(yùn)行時間相當(dāng)。另一種方法是單獨(dú)通過試驗(yàn)對底壓進(jìn)行測量，用以替代相同試驗(yàn)狀態(tài)測力試驗(yàn)車次的底壓數(shù)據(jù)，但由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、支撐裝置以及流場參數(shù)控制偏差等影響，該方法也不能準(zhǔn)確獲得測力試驗(yàn)時模型底壓的分布結(jié)果。

本文針對高超聲速風(fēng)洞測力試驗(yàn)時，模型底壓測量誤差較大而導(dǎo)致模型底阻難以精確扣除的難題，在Φ1m高超聲速風(fēng)洞進(jìn)行常規(guī)測力試驗(yàn)的同時開展3種底壓測量方法的對比試驗(yàn)研究，即：電子掃描壓力測量方法、低壓力差壓傳感器測量方法和微型絕壓傳感器測量方法。

1 底壓測量方法

1.1電子掃描壓力測量方法

Φ1m高超聲速風(fēng)洞電子掃描壓力測量系統(tǒng)由ESP壓力掃描器、DTC Initium處理器、9IFC掃描器接口、計(jì)算機(jī)和高壓氣源組成，系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示［10］。每個DTC掃描器含帶有溫度補(bǔ)償功能的64個測點(diǎn)。同時為了精確控制ESP壓力掃描器參考端壓力，消除壓差引入的誤差，使用高精度數(shù)字壓力控制器提供參考壓力。整個電子掃描壓力測量系統(tǒng)具體指標(biāo)為：測量點(diǎn)數(shù)：320點(diǎn)，可擴(kuò)展；掃描速率：20000點(diǎn)／s（每個掃描器）；2.5kPa壓力掃描器精度：±0.1%FS；A／D轉(zhuǎn)換位數(shù)：18位；數(shù)字壓力控制器壓力范圍：0～20kPa；數(shù)字壓力控制器控制精度：±0.01%FS。

圖1 電子掃描壓力測量系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Electronic scanning pressure system

底壓測量時，模型底部測壓孔處的壓力由專用特氟龍測壓軟管經(jīng)模型支桿和支架連接到固定在風(fēng)洞模型機(jī)構(gòu)背部的ESP壓力掃描器上進(jìn)行測量。若模型內(nèi)部有足夠空間，可將ESP壓力掃描器裝在模型內(nèi)，進(jìn)而大大縮短管路壓力平衡時間。

1.2低壓力差壓傳感器測量方法

由于高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)時，模型底部的壓力通常只有幾百帕，因此必須選用量程范圍較小的低壓力差壓傳感器，并將參考壓力設(shè)置為準(zhǔn)真空條件，此時差壓傳感器才可能準(zhǔn)確測量模型底部的壓力。

根據(jù)Φ1m高超聲速風(fēng)洞現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備條件，為了能更精確測量出風(fēng)洞模型底壓，選用了一種小型低壓力差壓傳感器（見圖2）測量底壓，傳感器具體性能指標(biāo)為：傳感器型號：CYG220T；量程：0～1kPa；精度等級：0.15%FS；溫度補(bǔ)償范圍：－25℃～85℃。

圖2 CYG220T差壓傳感器Fig.2 CYG220Tdifferential pressure sensor

低壓力差壓傳感器參考端壓力同樣由高精度數(shù)字壓力控制器提供。底壓測量時，傳感器測量端、參考端均通過軟管分別與模型底部測壓孔和數(shù)字壓力控制器連接。

1.3微型絕壓傳感器測量方法

絕壓傳感器測量模型底部壓力時，直接將傳感器測量頭安裝在模型底部壓力測量孔上或固定在天平支桿上，不通過測壓管路轉(zhuǎn)接，避免了前面2種方法存在的管路壓力損失和壓力平衡問題，可大幅提升傳感器對底壓的響應(yīng)速度。本文選用了一種Φ4mm的微型探針形絕壓傳感器［11］（見圖3）進(jìn)行模型底部壓力測量，傳感器具體性能指標(biāo)為：傳感器型號：CYG504A；量程：0～5kPa；測量頭尺寸：Φ4mm× 18mm；精度等級：0.25%FS；溫度補(bǔ)償范圍：－55℃～120℃。

圖3 CYG504A微型絕壓傳感器Fig.3 CYG504Aabsolute micro－pressure sensor

1.4風(fēng)洞關(guān)車對底壓測量的影響

Φ1m高超聲速風(fēng)洞在風(fēng)洞關(guān)車時刻，試驗(yàn)段壓力會瞬間增大至幾十千帕，這遠(yuǎn)超出了底壓測量傳感器或ESP壓力掃描器量程范圍，需采取關(guān)車保護(hù)措施。電子掃描壓力測量時，ESP壓力掃描器內(nèi)部有切換閥，可通過系統(tǒng)自帶的高壓氣源在風(fēng)洞關(guān)車前迅速推動閥位變化，將測量端與參考端連通避免風(fēng)洞關(guān)車沖擊。CYG504A微型絕壓傳感器在壓力敏感芯片微封裝時設(shè)計(jì)了限位裝置，使其可在大氣環(huán)境（100kPa）使用，也能承受風(fēng)洞關(guān)車時的壓力沖擊。而CYG220T差壓傳感器由于其參考端是通過較長管路與風(fēng)洞外的數(shù)字壓力控制器連接，即使采取了參考端壓力切換措施，由于管路的影響也很難瞬時將差壓傳感器測量端和參考端壓力差控制在2kPa內(nèi)（傳感器過載能力），因此關(guān)車的壓力沖擊容易造成CYG220T差壓傳感器損壞，在進(jìn)行了3車次HB－2標(biāo)模底壓測量試驗(yàn)后，CYG220T差壓傳感器就因?yàn)轱L(fēng)洞關(guān)車沖擊而損壞。

2 底壓測量試驗(yàn)方案

2.1HB－2標(biāo)模底壓測量試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图盃顟B(tài)

HB－2標(biāo)模參考直徑125mm，底部直徑200mm，模型全長612.5mm。試驗(yàn)采用尾支撐方式，尾支桿尺寸按照HB－2標(biāo)模測力試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)中Ma＝6，來流動壓Q＝31 900Pa，迎角a＝－4°～12°，側(cè)滑角β＝0°。階梯迎角停留時間3s，在進(jìn)行HB－2標(biāo)模測力試驗(yàn)的同時進(jìn)行模型底壓測量。

2.1.2底壓測量方式

由于HB－2標(biāo)模內(nèi)部空間較大，因此可將所有底壓測量傳感器和ESP壓力掃描器安裝于模型內(nèi)部。為了準(zhǔn)確測量HB－2標(biāo)模底部壓力，在模型底蓋板不同圓周上均勻布置了36個測壓孔。圖4給出了HB－2標(biāo)模底壓測量底蓋板測壓裝置實(shí)物照片。

（1）5kPa絕壓式傳感器測壓孔：數(shù)量4個、孔徑Φ4.1mm。將傳感器測量頭直接安裝在測壓孔內(nèi)，無管路連接。

（2）1kPa差壓式傳感器測壓孔：數(shù)量2個。通過測壓管接頭、35mm左右特氟龍軟管（外徑Φ1.2mm、內(nèi)徑Φ0.8mm）與傳感器連接，與電子掃描閥共用一個壓力參考端。

（3）2.5kPa電子掃描閥測壓孔：數(shù)量32個。通過測壓管接頭、40mm左右特氟龍軟管（外徑Φ1.2mm、內(nèi)徑Φ0.8mm）與2.5kPa測壓模塊連接，壓力參考端為高精度數(shù)字壓力控制器，控制壓力2.5kPa。

圖4 HB－2標(biāo)模底壓測量裝置實(shí)物照片F(xiàn)ig.4HB－2standard model base pressure measuring device

2.2某導(dǎo)彈模型底壓測量試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图盃顟B(tài)

采用某導(dǎo)彈試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在進(jìn)行導(dǎo)彈模型測力試驗(yàn)的同時進(jìn)行底壓測量。試驗(yàn)中Ma＝6，來流動壓Q＝44 700Pa，迎角a＝－14°～4°，側(cè)滑角β＝0°，階梯迎角停留時間3s。

2.2.2底壓測量方式

底壓測量位置根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，選取在距模型尾部10mm的位置。共計(jì)4個底壓測點(diǎn)，呈“×”布局，左右對稱分布，左側(cè)布置2個微型絕壓傳感器；右側(cè)布置2個電子掃描閥測壓點(diǎn)。由于導(dǎo)彈模型底部空間有限，因此電子掃描閥測壓點(diǎn)選用內(nèi)徑Φ1.0mm、長3m的紫銅管引至安裝在風(fēng)洞模型機(jī)構(gòu)背部的ESP壓力掃描器上進(jìn)行底壓測量。

3 底壓測量結(jié)果

3.1底壓測量響應(yīng)時間對比

采用前述3種方法測量的HB－2標(biāo)模底壓值隨風(fēng)洞運(yùn)行時間及模型迎角的變化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，微型絕壓傳感器對底壓的響應(yīng)速度極快，能夠完全真實(shí)反映出模型迎角變化過程對模型底壓的影響，同時也能準(zhǔn)確捕捉風(fēng)洞開關(guān)車時刻試驗(yàn)段內(nèi)的壓力階躍變化。而差壓傳感器和ESP壓力掃描器由于均安裝于模型內(nèi)部，縮短了底壓測量連接管路的長度，提高了底壓測量的響應(yīng)速度，底壓響應(yīng)時間約為0.5s左右，因此這2種方法基本能反映出模型迎角變化過程對模型底壓的影響。

圖5 HB－2標(biāo)模3種方法底壓測量結(jié)果對比曲線Fig.5 Comparison of HB－2standard model base pressure measuring results

某導(dǎo)彈模型底壓值隨風(fēng)洞運(yùn)行時間及模型迎角的變化曲線如圖6所示。從圖中模型底壓分布曲線可以看出，采用微型絕壓傳感器所測結(jié)果能夠真實(shí)反映出模型迎角變化過程對模型底壓的影響。而電子掃描閥測量的底壓分布由于有較長的鏈接管路，且試驗(yàn)時階梯迎角停留時間只有3s，因此只能反映出模型底壓隨迎角變化的大致趨勢，對階梯間迎角的變化響應(yīng)完全不靈敏。

圖6 某導(dǎo)彈模型2種方法底壓測量結(jié)果對比曲線Fig.6 Comparison of X missile model base pressure measuring results

3.2底壓測量精度對比

從前述3種底壓測量系統(tǒng)性能指標(biāo)對比分析可知，通過靜態(tài)校準(zhǔn)獲取的系統(tǒng)測量精度差壓傳感器最高，電子掃描閥次之，絕壓傳感器相對最差。

表1給出了3種底壓測量方法進(jìn)行HB－2標(biāo)模底壓重復(fù)性試驗(yàn)的對比結(jié)果，試驗(yàn)精度以重復(fù)性偏差（按3次底壓測量值的2倍標(biāo)準(zhǔn)差與試驗(yàn)迎角范圍內(nèi)底壓最大平均值之比）給出。從表中可以看出，不同迎角的底壓測量重復(fù)性偏差有細(xì)微差別，總體上看，絕壓傳感器測量重復(fù)性偏差最小，差壓傳感器測量重復(fù)性偏差次之，電子掃描閥測量重復(fù)性偏差相對最大。

從HB－2標(biāo)模底壓重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然在此試驗(yàn)狀態(tài)下，3種底壓測量方法均能響應(yīng)迎角的階梯變化，但3種底壓測量方法獲取的試驗(yàn)精度與校準(zhǔn)精度橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果并不一致，主要是由于差壓傳感器及電子掃描閥的測量端和參考端均有管路連接，特別是參考端需通過較長管路（包括幾處轉(zhuǎn)接頭）連接至風(fēng)洞外的數(shù)字壓力控制器，而在準(zhǔn)真空條件下，管路連接的密封性無法檢測，管路是否漏氣也難以嚴(yán)格保證，這就造成其校準(zhǔn)精度相對較高，而實(shí)際試驗(yàn)精度卻相對較低。

表2給出了2種底壓測量方法進(jìn)行某導(dǎo)彈模型底壓重復(fù)性試驗(yàn)的對比結(jié)果。試驗(yàn)迎角范圍內(nèi)，絕壓傳感器測量重復(fù)性偏差小于3.5%，而電子掃描閥測量最大重復(fù)性偏差達(dá)到12.5%。2種底壓測量方法獲取的試驗(yàn)精度與校準(zhǔn)精度橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果也不一致，造成這種結(jié)果的原因除了電子掃描閥需有管路連接其密封性較難保證外，更直接的原因是此試驗(yàn)狀態(tài)下電子掃描閥對底壓響應(yīng)嚴(yán)重滯后。

表1 HB－2標(biāo)模3種底壓方法測量重復(fù)性對比Table 1 Measuring results of HB－2base pressure

表2 某導(dǎo)彈模型2種底壓方法測量重復(fù)性對比Table 2 Measuring results of X missile model base pressure

3.3底壓測量準(zhǔn)度對比

由于進(jìn)行HB－2標(biāo)模底壓測量試驗(yàn)時，3種方法均能響應(yīng)迎角變化過程對模型底壓的影響，因此3種方法測量的底壓結(jié)果隨迎角變化規(guī)律一致（見圖7），0°迎角時HB－2標(biāo)模底壓值最大，隨著迎角的增大底壓逐漸減小。試驗(yàn)迎角范圍內(nèi)3種方法測量結(jié)果最大偏差59Pa，其中絕壓傳感器測量值最大，差壓傳感器測量值次之，而電子掃描閥測量值最小。

圖7 HB－2標(biāo)模pb～α曲線Fig.7 Base pressure variations with attcak angle of HB－2standard model

圖8 給出了某導(dǎo)彈模型底壓測量值隨迎角變化曲線。從圖中可以看出，2種底壓測量方法獲得的曲線變化規(guī)律并不一致，主要表現(xiàn)在正迎角時，隨著迎角的增大絕壓傳感器測量結(jié)果逐漸減小，而電子掃描閥測量值卻持續(xù)增大。對比圖6中2種方法底壓測量結(jié)果原始曲線及響應(yīng)時間的差別，可以確定此試驗(yàn)狀態(tài)下絕壓傳感器測量結(jié)果更為可靠。

圖8 某導(dǎo)彈模型pb～α曲線Fig.8 Base pressure variations with attcak angle of X missile model

4 結(jié) 論

在開展HB－2標(biāo)模和某導(dǎo)彈模型測力試驗(yàn)同時選用了3種底壓測量方法進(jìn)行了模型底壓測量對比研究，研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)測力模型底部空間較大（如HB－2標(biāo)模）時，差壓傳感器和ESP壓力掃描器可以安裝于模型內(nèi)部，縮短管路壓力平衡時間，在測力試驗(yàn)階梯穩(wěn)定時間內(nèi)這2種方法均能及時響應(yīng)模型底壓隨迎角的變化；當(dāng)測力模型底部空間較?。ㄈ缒硨?dǎo)彈模型）時，ESP壓力掃描器通常只能固定在風(fēng)洞模型機(jī)構(gòu)背部，需要有較長的管路連接，在測力試驗(yàn)階梯穩(wěn)定時間內(nèi)其對模型底壓響應(yīng)嚴(yán)重滯后，無法準(zhǔn)確測量底壓變化。

（2）由于差壓傳感器和電子掃描壓力測量方法必須有測量管路連接，在高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)段低壓力（即準(zhǔn)真空）條件下管路是否有漏氣難以嚴(yán)格保證，會對這2種底壓測量方法的精準(zhǔn)度造成影響。

（3）微型探針形絕壓傳感器能夠直接通過測量頭感受模型底壓變化，無需測壓管路連接，測量高超聲速風(fēng)洞模型時底壓響應(yīng)速度極快，能夠完全真實(shí)反映出模型迎角變化過程對模型底壓的影響，在測力試驗(yàn)中無需增加延時，即可準(zhǔn)確測量模型底壓結(jié)果。與差壓傳感器和電子掃描壓力測量方法相比，在高超聲速風(fēng)洞測力試驗(yàn)中采用微型絕壓傳感器測量模型底壓的重復(fù)性精度相對較高。

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Study on model base pressure measuring technique in hypersonic wind tunnel

Xie Fei＊，Guo Leitao，Zhang Shaowu，Cao Cheng，Zou Qiongfen
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

It is an experimental technique problem to exactly achieve test model base pressure in hypersonic wind tunnel.Because of the large error of model base pressure measurement before，it is difficult to exactly deduct the model base drag.Three base pressure measuring methods are developed inΦ1mhypersonic wind tunnel，viz.the absolute pressure micro－sensor measuring method，the low pressure differential pressure sensor measuring method and the electronic scanning pressure（ESP）measuring method.The validation tests of HB－2standard model and a certain missile model are separately conducted at Ma＝6.The test results indicate that：the absolute pressure micro－sensor measuring method can avoid the influence of piezometric pipe；it also can rapidly respond the variation of model base pressure with high accuracy.

hypersonic wind tunnel；base pressure；pressure sensor；electronic scanning pressure measuring

V211.752

：A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）04－0071－06

10.11729／syltlx20150043

2015－03－23；

2015－11－22

＊通信作者E－mail：feixiefei＠sohu.com

Xie F，Guo L T，Zhang S W，et al.Study on model base pressure measuring technique in hypersonic wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：71－75，80.謝 飛，郭雷濤，張紹武，等.高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷讐簻y量方法研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2016，30（4）：71－75，80.

謝飛（1980－），男，重慶長壽人，工程師。研究方向：高超聲速風(fēng)洞氣動力試驗(yàn)技術(shù)研究。通信地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心（621000）。E－mail：feixiefei＠sohu.com