超高速高空低動(dòng)壓柔性罩體脫落天地相關(guān)性研究

張立坤, 盧寶剛, 董 超, 吳 喬, 楊依峰

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所, 北京 100076)

引 言

4片柔性罩體由連接繩縫合后套裝在飛行器表面, 再入過(guò)程中, 在氣動(dòng)熱作用下, 小端鎖定機(jī)構(gòu)的熱熔膠融化、 連接繩斷開(kāi), 連接繩剩余搭扣在氣動(dòng)力作用下拉開(kāi)、 罩體從飛行器表面脫落.

柔性罩體脫落過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間, 并且4片罩體不對(duì)稱(chēng)脫落產(chǎn)生附加氣動(dòng)力, 使得飛行器再入角速度、 再入攻角增加, 造成飛行器過(guò)載異常放大、 落點(diǎn)偏差增大.

由于不同再入條件下氣動(dòng)力/熱環(huán)境差異很大, 柔性罩體的脫落高度以及持續(xù)時(shí)間相差很大, 脫落高度越高、 持續(xù)時(shí)間越短, 對(duì)飛行器再入姿態(tài)影響越小、 造成的落點(diǎn)偏差也越小.

目前地面試驗(yàn)設(shè)備能力無(wú)法同時(shí)模擬再入過(guò)程中柔性罩體的力/熱環(huán)境. 試驗(yàn)中采用熔斷裝置模擬小端熱熔膠的解鎖過(guò)程.

根據(jù)超高速M(fèi)ach數(shù)無(wú)關(guān)性, 采用部分相似準(zhǔn)則, 選取風(fēng)洞來(lái)流動(dòng)壓達(dá)到飛行動(dòng)壓, 考核不同再入高度下, 柔性罩體連接繩在氣動(dòng)力作用下的脫開(kāi)過(guò)程, 以及脫落過(guò)程對(duì)飛行器產(chǎn)生的干擾力. 試驗(yàn)中, 采用多臺(tái)高速攝像立體記錄脫落時(shí)間, 圖1為試驗(yàn)中使用的多目視覺(jué)觀測(cè)平臺(tái), 采用6分量天平動(dòng)態(tài)測(cè)量脫落過(guò)程的干擾力.

1 地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-16風(fēng)洞進(jìn)行. FD-16風(fēng)洞是一座暫沖、 吹引式φ1.2 m高超聲速風(fēng)洞, 能夠模擬不同動(dòng)壓的飛行條件, 以Ma=5 為例, 來(lái)流動(dòng)壓變化范圍為 2～36 kPa, 模擬再入高度為70～40 km.

建立均勻流場(chǎng)后, 攻角機(jī)構(gòu)將模型托入流場(chǎng)均勻區(qū); 同步控制器觸發(fā)熔斷裝置、 數(shù)據(jù)采集器、 高速攝影機(jī), 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力支桿達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速. 康銅絲熔斷, 在氣動(dòng)力的作用下, 柔性罩體展開(kāi)脫落, 試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示.

圖1 多角度視覺(jué)平臺(tái)Fig. 1 Multi-angle vision platform

圖2 柔性罩體脫落示意圖Fig. 2 Schematic diagram of flexible cover falling off

(1)熔斷裝置

用熔斷裝置模擬飛行條件下的熱熔膠解鎖過(guò)程. 熔斷裝置由康銅絲和支座組成, 康銅絲是確保熔斷同步性的關(guān)鍵元件, 即要可靠固定又能通電瞬間解鎖, 熔斷時(shí)間的長(zhǎng)短由康銅絲直徑?jīng)Q定, 此外還要考慮柔性罩體拆裝方便、 電路接線絕緣、 熔斷產(chǎn)物的燒蝕防護(hù)等.

(2)動(dòng)態(tài)采集技術(shù)

采用多角度視覺(jué)平臺(tái)、 高速圖像采集系統(tǒng)、 圖像處理技術(shù)等, 立體再現(xiàn)柔性罩體受力變形以及非對(duì)稱(chēng)脫落的過(guò)程, 驗(yàn)證罩體脫落產(chǎn)生干擾力和干擾力矩的機(jī)理, 判讀罩體脫落起始與結(jié)束時(shí)間.

(3)動(dòng)力支桿技術(shù)

飛行器再入過(guò)程中繞體軸自轉(zhuǎn), 采用動(dòng)力支桿驅(qū)動(dòng)模型旋轉(zhuǎn)[1-3], 模型轉(zhuǎn)速與飛行器轉(zhuǎn)速滿足Strouhal數(shù)相似律. 動(dòng)力支桿由伺服電機(jī)、 控制系統(tǒng)、 減速器、 滑環(huán)引電器和前后支桿構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)飛行器旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的罩體脫落動(dòng)態(tài)測(cè)力, 角位移電位器時(shí)時(shí)測(cè)量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速, 真實(shí)模擬飛行器再入旋轉(zhuǎn)條件下柔性罩體的脫落過(guò)程.

(4)同步控制技術(shù)

通過(guò)同步器控制[4-6], 同步啟動(dòng)熔斷裝置、 高速攝影、 數(shù)據(jù)采集器以及動(dòng)力支桿, 確保4片罩體分離狀態(tài)與動(dòng)態(tài)測(cè)力、 高速圖像一一對(duì)應(yīng).

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 多數(shù)情況下4片罩體不會(huì)同步脫落, 當(dāng)一側(cè)連接繩脫開(kāi)后, 罩體內(nèi)泄壓, 其余幾道連接繩扣無(wú)法脫開(kāi), 罩體連著最后一扣掛在飛行器底端耳片上. 將固定耳片改為掛鉤連接形式, 既保證直吹力環(huán)境下的可靠連接, 又滿足罩體再入過(guò)程中的可靠滑開(kāi).

2 天地相關(guān)性設(shè)計(jì)

鑒于風(fēng)洞流場(chǎng)均勻區(qū)限制, 試驗(yàn)中柔性罩模型為半罩, 研究表明[7-9]: 當(dāng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際來(lái)流動(dòng)壓, 且柔性罩體材料為真實(shí)產(chǎn)品時(shí)[10-11], 風(fēng)洞試驗(yàn)獲取的罩體脫落時(shí)間與實(shí)際脫落時(shí)間之比等于參考長(zhǎng)度之比, 即飛行器全模脫落時(shí)間是風(fēng)洞試驗(yàn)1∶2縮比模型脫落時(shí)間的2倍[12-13].

在模型表面均勻分布n個(gè)標(biāo)記點(diǎn), 如圖3所示, 通過(guò)高速攝像判讀罩體脫落經(jīng)過(guò)各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的時(shí)間歷程. 除了第1扣和最后1扣從底部脫落的時(shí)間略長(zhǎng), 罩體卷動(dòng)脫落的過(guò)程基本是勻速的, 將半模罩體脫落干擾力的時(shí)間間隔放大1倍換算到全模脫落干擾力[14-15].

圖3 均布標(biāo)識(shí)點(diǎn)示意Fig. 3 Schematic diagram of evenly distributed identification points

選取10次試驗(yàn)子樣, 包括5次固定模型和5次旋轉(zhuǎn)模型, 旋轉(zhuǎn)模型比不旋轉(zhuǎn)模型脫落時(shí)間短, 且隨來(lái)流動(dòng)壓增加, 罩體脫落時(shí)間變短, 脫落時(shí)間與來(lái)流動(dòng)壓的關(guān)系如圖4所示.

圖4 柔性罩體脫落時(shí)間與動(dòng)壓相關(guān)性Fig. 4 Correlation between falling-off time of flexible cover and dynamic pressure

3 干擾仿真計(jì)算

動(dòng)態(tài)測(cè)量罩體脫落過(guò)程的6分量氣動(dòng)力, 與光彈氣動(dòng)力測(cè)量值的差量, 即為脫落過(guò)程的干擾力， 圖5, 6分別為5次旋轉(zhuǎn)模型柔性罩脫落過(guò)程干擾力和干擾力矩隨時(shí)間的變化曲線. 根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)流動(dòng)壓, 將干擾力無(wú)量綱化, 疊加到常規(guī)氣動(dòng)參數(shù)上, 采用剛體動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算落點(diǎn), 與理論無(wú)干擾彈道落點(diǎn)對(duì)比, 得到柔性罩體脫落過(guò)程引起的落點(diǎn)偏差.

圖5 旋轉(zhuǎn)模型干擾力Fig. 5 Interference force of rotation model

圖6 旋轉(zhuǎn)模型干擾力矩Fig. 6 Interference moment of rotation model

采用剛體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算干擾力、 干擾力矩造成的落點(diǎn)偏差, 仿真計(jì)算得到的10個(gè)子樣, 縱、 橫向偏差分布如圖7所示.

圖7 落點(diǎn)偏差分布Fig. 7 Distribution of landing point deviation

4 結(jié)論

柔性罩體脫落是非定常過(guò)程, 脫落時(shí)間和干擾力與來(lái)流動(dòng)壓、 罩體連接繩結(jié)構(gòu)、 罩體Poisson比、 罩體與殼體間摩擦系數(shù)等多因素相關(guān). 采用多子樣概率統(tǒng)計(jì)方法, 可以提高干擾力、 干擾力矩的預(yù)示精準(zhǔn)度. 本期試驗(yàn)選取不同動(dòng)壓10個(gè)子樣, 干擾力系數(shù)均值為25%， 干擾力矩系數(shù)均值為28%.