高超聲速風(fēng)洞兩級引射器氣動性能試驗(yàn)研究

郭孝國, 江澤鵬, 陳 星, 王鐵進(jìn)

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院, 北京 100074)

0 引 言

常規(guī)高超聲速風(fēng)洞是高超聲速飛行器研制的主要地面試驗(yàn)設(shè)備。目前，國內(nèi)參與型號任務(wù)的主要常規(guī)高超聲速風(fēng)洞有中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)高速空氣動力研究所的FL-31Φ0.5m高超聲速風(fēng)洞、中國航天空氣動力技術(shù)研究院(CAAA)的FD-07Φ0.5m高超聲速風(fēng)洞，南京航空航天大學(xué)NHWΦ0.5m高超聲速風(fēng)洞、CARDC超高速空氣動力研究所的FD-20AΦ1m高超聲速風(fēng)洞以及CAAA在建的FD-16Φ1.2m高超聲速風(fēng)洞。隨著高超聲速飛行器型號研制越來越密集，國內(nèi)主力大口徑高超聲速風(fēng)洞基本處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，提升高超聲速風(fēng)洞設(shè)備的能力和運(yùn)行效率，對高質(zhì)量按時完成型號研制任務(wù)具有重要意義。

達(dá)到并保持風(fēng)洞啟動和運(yùn)行壓比是常規(guī)高超聲速風(fēng)洞運(yùn)行的關(guān)鍵，其由風(fēng)洞主氣流和引射氣流在擴(kuò)壓器中產(chǎn)生的低壓共同維持。常規(guī)高超聲速風(fēng)洞一般都采用超聲速引射[1-3]，運(yùn)行時混合室內(nèi)部流場復(fù)雜，往往難以進(jìn)行準(zhǔn)確的理論計(jì)算以確定適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行參數(shù)。引射器運(yùn)行參數(shù)過低，可能造成風(fēng)洞堵塞或者壓比不夠，導(dǎo)致啟動失敗無法進(jìn)行試驗(yàn)，而過高的運(yùn)行參數(shù)又會造成資源浪費(fèi)，增加風(fēng)洞運(yùn)行成本。

國防科技大學(xué)對超聲速引射器進(jìn)行了大量的研究工作，得出了許多重要的結(jié)論。徐萬武等[4]通過試驗(yàn)研究了超聲速環(huán)形引射器的啟動特性，發(fā)現(xiàn)環(huán)形引射器的啟動壓強(qiáng)高于運(yùn)行壓強(qiáng)，引射馬赫數(shù)越高，啟動壓強(qiáng)越高;鄒建軍等[5]研究了管道馬赫數(shù)、混合室收縮比等對環(huán)形引射器啟動性能的影響。中國空氣動力研究與發(fā)展中心的劉宗政[6]對等壓混合引射器參數(shù)匹配進(jìn)行了研究，王宗浩等[7]對兩級超聲速引射器的流動機(jī)理進(jìn)行了深入研究，劉化勇[8]則對超聲速引射器的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。上述研究都是通過搭建試驗(yàn)平臺或數(shù)值模擬的方式進(jìn)行。目前國內(nèi)高超聲速風(fēng)洞引射器實(shí)際運(yùn)行狀況沒有公開的詳細(xì)數(shù)據(jù)文獻(xiàn)可供參考。

本文以CAAA的 FD-07Φ0.5m高超聲速風(fēng)洞為研究對象，針對Ma5～6試驗(yàn)時風(fēng)洞引射器氣動性能進(jìn)行測試和分析。

1 FD-07風(fēng)洞

FD-07風(fēng)洞系暫沖、吹引式高超聲速風(fēng)洞，采用兩級環(huán)形引射器方式，帶封閉室自由射流試驗(yàn)段，噴管出口直徑Φ0.5m，有效工作時間90～120s，試驗(yàn)馬赫數(shù)5～8。本文采集系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)基于虛擬儀器和PXI總線采集控制技術(shù)建立。其中壓力傳感器準(zhǔn)確度等級0.5級，工作溫度-10～60℃，各傳感器復(fù)檢回程誤差、線性誤差、重復(fù)性誤差、基本誤差均滿足本文試驗(yàn)要求。本文重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)洞運(yùn)行總溫、總壓、駐室壓力、一級引射器入口壓力、二級引射器入口壓力、中壓氣源壓力、一級引射器運(yùn)行壓力、二級引射器運(yùn)行壓力等參數(shù)。風(fēng)洞引射系統(tǒng)各參數(shù)如表1所示，其中：Ma為引射馬赫數(shù)，R為引射面積比，D1為引射器管道直徑，D2、L2為引射器混合室直徑和長度，D3、L3為擴(kuò)壓段入口直徑和長度，D4、L4為擴(kuò)壓段等直段直徑和長度，D5、L5為擴(kuò)壓段出口直徑和長度，參數(shù)示意圖如圖2所示。

圖1 FD-07風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MaR/mmD1/mmD2,L2/mmD3,L3/mmD4,L4/mmD5,L5/mmFirst-stageSecond-stage3.53.00.330.30Φ219Φ325Φ700/4185Φ804/395Φ800/812Φ550/2187Φ700/955

圖2 參數(shù)示意圖

2 試驗(yàn)總體方案

試驗(yàn)在保持引射器環(huán)形噴管喉道不變的前提下(引射Ma不變)，通過引射器單級調(diào)試、引射器聯(lián)調(diào)、主-次流聯(lián)合調(diào)試等3種試驗(yàn)方案進(jìn)行。具體試驗(yàn)步驟如下：

步驟1：單開二級引射器，閥后壓力調(diào)節(jié)值為0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1和1.2MPa，每個壓力狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行5～10s，記錄二級引射器抽真空數(shù)據(jù)，選出抽吸能力最強(qiáng)時的運(yùn)行壓力，記為ps2；

步驟2：二級引射器閥后壓力設(shè)定為步驟1中壓力ps2，調(diào)節(jié)一級引射器閥后壓力為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0MPa，每個壓力狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行5～10s，記錄引射器抽真空數(shù)據(jù)，選出抽吸能力最強(qiáng)時的一級引射器運(yùn)行壓力，記為ps1；

步驟3：設(shè)定一級引射器運(yùn)行壓力為ps1，二級引射器運(yùn)行壓力為ps2，進(jìn)行Ma5～6試驗(yàn)，獲取各個參數(shù)數(shù)據(jù)，判斷該運(yùn)行壓力能否滿足試驗(yàn)要求：若能，則該運(yùn)行壓力為FD-07風(fēng)洞Ma5～6試驗(yàn)時最佳引射器運(yùn)行壓力；若不能，則調(diào)整兩級引射器運(yùn)行壓力值，進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3～6中，p0為駐室壓力，p1為風(fēng)洞排氣管道上一級引射器入口壓力，p2為風(fēng)洞排氣管道上二級引射器入口壓力。

步驟1：二級引射器單獨(dú)調(diào)試。閥后壓力為0.5～1.2MPa，待測數(shù)據(jù)p0、p1、p2，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 二級引射器單調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3中，方框標(biāo)注圖例為時間80～110s之間駐室壓力的放大圖。圖中3條曲線下方標(biāo)注的壓力數(shù)值為試驗(yàn)過程中二級引射器運(yùn)行壓力，可以看出：當(dāng)二級引射器運(yùn)行壓力為1.0MPa時，駐室壓力不再明顯下降，由此判定引射器啟動，此時抽吸能力達(dá)到最大值；當(dāng)二級引射器運(yùn)行壓力小于1.0MPa時，引射氣流在后續(xù)的管道中沒有達(dá)到超聲速滿流，隨著壓力的增加，抽吸能力接近線性變化，引射器沒有啟動；當(dāng)運(yùn)行壓力大于1.0MPa并繼續(xù)增加時，引射器已啟動，但駐室壓力不降反而有輕微增加，說明引射器抽吸能力并沒有增加。因此，二級引射器引射能力最高時的運(yùn)行壓力為ps2=1.0MPa。

步驟2：兩級引射器聯(lián)調(diào)。設(shè)定二級引射器運(yùn)行壓力為ps2=1.0MPa，一級引射器閥后壓力調(diào)節(jié)為0.4～1.0MPa，待測數(shù)據(jù)p0、p1、p2，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)中，虛線間隔代表試驗(yàn)中一級引射器調(diào)壓變化情況，上方數(shù)值代表一級引射器運(yùn)行壓力。由圖中數(shù)據(jù)可以看出:二級引射器運(yùn)行壓力為1.0MPa固定不變，當(dāng)一級引射器運(yùn)行壓力為0.7～0.8MPa時，二級引射器入口氣流壓力激烈波動，這是由測壓探頭前部產(chǎn)生的超聲速滿流逐步減速增壓所致，表明一級引射器啟動；當(dāng)一級引射器運(yùn)行壓力為0.8MPa時，駐室壓力最小，引射器抽吸能力達(dá)到最大值；而當(dāng)一級引射器運(yùn)行壓力大于0.8MPa且繼續(xù)增大時，駐室壓力不降反增，說明引射器抽吸能力并沒有增強(qiáng)，反而有所降低，因此，一級引射器啟動壓力為0.7～0.8MPa。當(dāng)二級引射器運(yùn)行壓力維持在ps2=1.0MPa、一級引射器運(yùn)行壓力調(diào)節(jié)到ps1=0.8MPa時，引射器的抽真空能力最強(qiáng)。由于ps1和ps2均為兩級引射器臨界啟動壓力，因此ps1=0.8MPa和ps2=1.0MPa符合引射壓力低、耗氣量小的情況。

步驟3：設(shè)定一級引射器運(yùn)行壓力ps1=0.8MPa，二級引射器運(yùn)行壓力ps2=1.0MPa，進(jìn)行Ma5～6風(fēng)洞試驗(yàn)，待測數(shù)據(jù)p0、p1、p2。試驗(yàn)結(jié)果如圖5和6所示。其中Ma5試驗(yàn)前室總壓為1.0MPa，總溫為90℃，Ma6試驗(yàn)前室總壓為2.0MPa，總溫為191℃。

(a) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)全局圖

(b) 60～100s局部放大圖

圖5 Ma5(ps1=0.8MPa，ps2=1.0MPa)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在圖5和6中：(1) 二級引射器入口總壓p2高于一級引射器入口總壓p1，原因在于一級引射器的增壓作用；一級引射器入口總壓p1在有主氣流存在時，測量數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，說明主氣流在超聲速擴(kuò)壓段中減速增壓，逐步變?yōu)閬喡曀贇饬?，與理論情況相符[9-10]。(2) 由于風(fēng)洞主氣流啟動沖波的影響，圖5和6中一級引射器壓力p1在風(fēng)洞主氣流通入瞬間突然增加，隨著試驗(yàn)流場的建立該值迅速下降，而駐室壓力p0和二級引射器入口壓力p2受主氣流沖波的影響較小。(3) 由于引射器啟動沖波的影響，二級引射器入口壓力p2在引射器啟動時瞬間增加，隨著引射流動波系的建立而下降并趨于平穩(wěn)，一級引射器入口壓力p1及駐室壓力p0受引射器啟動沖波的影響不大。(4) 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，引射器啟動后駐室壓力p0最小值約為4.5kPa，隨著風(fēng)洞主氣流通入，試驗(yàn)段建立流場，駐室壓力存在最小值，Ma5時為0.94kPa，Ma6時為1.38kPa，完全滿足風(fēng)洞啟動壓比，噴管出口為略微膨脹的射流邊界，風(fēng)洞流場面積大。在既定風(fēng)洞主流工況下，引射器結(jié)構(gòu)和引射Ma不變，引射器運(yùn)行總壓越低，引射流量越小，則相應(yīng)的引射效率越高，引射成本越低。由此可得，對于FD-07風(fēng)洞Ma5～6試驗(yàn)，采用ps1=0.8MPa、ps2=1.0MPa方案運(yùn)行效率較高，成本較低。

圖6 Ma6(ps1=0.8MPa，ps2=1.0MPa)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

需要指出的是，引射器啟動壓強(qiáng)一般高于運(yùn)行壓強(qiáng)[4]，在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，理論上可以通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)參數(shù)來適當(dāng)降低引射器運(yùn)行壓力，這樣可以獲得更高的引射效率，但是考慮到實(shí)際吹風(fēng)試驗(yàn)操作難度、適應(yīng)不同模型的堵塞程度和風(fēng)洞運(yùn)行安全，本文對此不作考慮，認(rèn)為風(fēng)洞試驗(yàn)時引射器啟動壓力即運(yùn)行壓力。

4 結(jié) 論

本文主要研究了FD-07風(fēng)洞Ma5～6試驗(yàn)時引射器氣動性能，解決了FD-07風(fēng)洞引射器多年來運(yùn)行狀態(tài)不明的問題，優(yōu)化了引射器運(yùn)行壓力方案，減少了能源浪費(fèi)。研究結(jié)果表明：(1) 在現(xiàn)有既定引射Ma數(shù)和固定噴管喉道下，F(xiàn)D-07風(fēng)洞一級引射器的啟動壓力在0.7～0.8MPa之間，二級引射器的啟動壓力為1.0MPa；(2) FD-07風(fēng)洞引射器Ma5～6試驗(yàn)時，一級引射器運(yùn)行壓力確定為0.8MPa，二級引射器運(yùn)行壓力確定為1.0MPa時，引射器的引射效率較高； (3) 風(fēng)洞運(yùn)行時，駐室低壓環(huán)境主要由主氣流決定，只要引射器運(yùn)行參數(shù)能夠滿足風(fēng)洞啟動壓比，引射器性能變化對駐室壓力(即試驗(yàn)?zāi)M高度)影響不大；(4) 風(fēng)洞主氣流啟動沖波對一級引射器入口壓力的影響較大，對駐室及二級引射器入口壓力的影響不明顯；引射器啟動沖波對二級引射器入口壓力影響較大，對駐室及一級引射器入口壓力的影響不明顯。

后續(xù)對FD-07風(fēng)洞引射器氣動性能的試驗(yàn)研究將繼續(xù)從以下幾個方面展開，希望從實(shí)際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，對常規(guī)高超聲速風(fēng)洞引射器氣動性能有更加全面的認(rèn)識：

(1) FD-07風(fēng)洞引射器為可調(diào)環(huán)形噴管結(jié)構(gòu)，喉道大小變化將改變引射氣流馬赫數(shù)，從而改變引射能力。本文研究結(jié)果是基于既定噴管喉道大小條件下得出的，事實(shí)上，如果改變引射器噴管喉道大小，研究由此所引起的引射器氣動性能變化，引射器啟動壓力還能進(jìn)一步降低，進(jìn)行Ma5～6試驗(yàn)時，引射器運(yùn)行的耗氣量有望能進(jìn)一步減少，降低風(fēng)洞運(yùn)行成本。

(2) FD-07風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)為5～8，本文只針對Ma5～6進(jìn)行了研究。由于風(fēng)洞各馬赫數(shù)共用一個擴(kuò)壓段，擴(kuò)壓段結(jié)構(gòu)可以滿足Ma5～6試驗(yàn)時的亞-超引射條件，但在Ma7～8試驗(yàn)時,主氣流并不一定能通過擴(kuò)壓段全部減速為亞聲速，還會有部分流動以超聲速狀態(tài)進(jìn)入引射器，流動情況更為復(fù)雜[11-14]。因此，上述引射器運(yùn)行壓力在Ma5～6試驗(yàn)工況下引射效率較高，但并不一定能達(dá)到Ma7～8試驗(yàn)時的風(fēng)洞運(yùn)行壓比，即使?jié)M足運(yùn)行壓比，也很難確定引射器參數(shù)是否處在效率較高的狀態(tài)下，因此對試驗(yàn)馬赫數(shù)7～8時的風(fēng)洞引射器氣動性能還需要作進(jìn)一步研究。