頭部外形對(duì)升力體轉(zhuǎn)捩影響的試驗(yàn)研究

聶春生，閻 君，曹占偉，黃建棟，袁 野

（空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076）

0 引 言

對(duì)于臨近空間升力體飛行器，邊界層轉(zhuǎn)捩將產(chǎn)生復(fù)雜不確定的縱橫側(cè)向氣動(dòng)擾動(dòng)，對(duì)飛行器的氣動(dòng)穩(wěn)定性和操縱性產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)不完善會(huì)導(dǎo)致飛行失控，造成飛行失利，例如美國(guó)的HTV-2 飛行器正是由于對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的影響認(rèn)識(shí)不足，造成了兩發(fā)飛行試驗(yàn)的失利。臨近空間升力體飛行器的邊界層轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象非常復(fù)雜，影響轉(zhuǎn)捩的因素眾多，主要包括3 個(gè)方面：a）飛行器自身外形的影響，包括飛行器頭部曲率、表面外形曲率、艙段縫隙和天線窗口等局部凸起和溝槽等；b）飛行狀態(tài)的影響，包括飛行高度、馬赫數(shù)、攻角、側(cè)滑角等；c）飛行器表面狀態(tài)的影響，包括表面粗糙度、壁溫、燒蝕和熱解引起的表面質(zhì)量引射等；高馬赫數(shù)飛行的轉(zhuǎn)捩機(jī)理和上述影響因素的作用機(jī)制迄今為止仍未得到清晰的認(rèn)識(shí)。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外就轉(zhuǎn)捩問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，主要針對(duì)各種轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法，如e-N 法、轉(zhuǎn)捩模型法、轉(zhuǎn)捩判據(jù)、直接數(shù)值模擬和大渦模擬等，這些方法在流動(dòng)轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)中均扮演了重要角色，但在還缺乏有效理論基礎(chǔ)作為支撐的情況下，上述轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法均存在普適性較差的缺點(diǎn)，由于模擬高馬赫數(shù)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)的匱乏，難以對(duì)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)的修正和標(biāo)定，因此目前的高馬赫數(shù)轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法普遍對(duì)于工程外形適應(yīng)性和預(yù)示精度能力較差。

靜風(fēng)洞是開(kāi)展轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究最理想的地面設(shè)備，但現(xiàn)有的靜風(fēng)洞馬赫數(shù)相對(duì)較低、尺寸較小，難以開(kāi)展高馬赫大尺度模型的轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究；而激波風(fēng)洞具有馬赫數(shù)更高、更寬，試驗(yàn)段尺寸更大的優(yōu)點(diǎn)，近些年隨著TSP技術(shù)等測(cè)量手段的不斷深入，逐漸應(yīng)用于高速邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究，并取得了良好的效果；張扣立發(fā)展了激波風(fēng)洞磷光測(cè)熱技術(shù)，并在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心Φ0.6 m 激波風(fēng)洞上，開(kāi)展了平板模型邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明磷光測(cè)熱技術(shù)具備在激波風(fēng)洞邊界層轉(zhuǎn)捩定性、定量測(cè)量試驗(yàn)的能力；常雨在激波風(fēng)洞中在激波風(fēng)洞中開(kāi)展轉(zhuǎn)捩研究試驗(yàn)，獲得了馬赫數(shù)、單位雷諾數(shù)以及攻角變化對(duì)鈍錐邊界層和平板邊界層轉(zhuǎn)捩位置的影響規(guī)律，并捕捉到了第二模態(tài)擾動(dòng)。

在高速飛行器設(shè)計(jì)中避免和延遲邊界層轉(zhuǎn)捩，降低轉(zhuǎn)捩對(duì)飛行器的影響是工程設(shè)計(jì)急需解決的難題。目前主要通過(guò)飛行彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)使飛行器盡可能在更高的高空飛行避免發(fā)生轉(zhuǎn)捩，另外通過(guò)對(duì)飛行器外形優(yōu)化設(shè)計(jì)降低飛行器發(fā)生轉(zhuǎn)捩的高度。本文從延遲或抑制扁平升力體布局飛行器迎風(fēng)面發(fā)生轉(zhuǎn)捩的發(fā)生的角度出發(fā)，針對(duì)升力體外形，在激波風(fēng)洞中綜合采用磷光熱圖技術(shù)和薄膜熱流傳感器兩種熱流測(cè)試技術(shù)，開(kāi)展了馬赫數(shù)為8 流場(chǎng)下頭部外形對(duì)升力體迎風(fēng)面轉(zhuǎn)捩特性影響的研究試驗(yàn)，通過(guò)表面熱流辨識(shí)得到了攻角10°條件下模型迎風(fēng)面的轉(zhuǎn)捩形貌，分析了球頭、橢球頭對(duì)模型身部邊界層轉(zhuǎn)捩的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備、模型及流場(chǎng)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量手段

試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所Φ0.6 m 激波風(fēng)洞（FD-14）（見(jiàn)圖1）上開(kāi)展，其由內(nèi)徑為80 mm、高/低壓段長(zhǎng)度分別為7.5 m 和12.5 m的激波管和相應(yīng)的噴管、試驗(yàn)段、真空箱組成，其型面噴管出口直徑為0.6 m。

圖1 Φ0.6m 激波風(fēng)洞Fig.1 Φ0.6m Shock Tunnel

風(fēng)洞試驗(yàn)氣體為N，采用H或H和N混合氣體驅(qū)動(dòng)。通過(guò)更換喉道或噴管可獲得不同的來(lái)流馬赫數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)高低壓段的壓力可獲得不同的雷諾數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的模擬環(huán)境。目前該風(fēng)洞所能模擬的馬赫數(shù)范圍是6～12，雷諾數(shù)范圍2.1×10～6.5×10m，試驗(yàn)段的橫截面積是 2.6m×2.6m，試驗(yàn)的有效時(shí)間為2～13 ms。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鏌崃鳒y(cè)量采用薄膜熱流傳感器和磷光熱圖兩種測(cè)量手段。點(diǎn)式鉑薄膜熱流傳感器，以玻璃為基底材料，制作成直徑為2 mm 的玻璃棒，在其中一個(gè)拋光的端面鍍鉑薄膜，連接測(cè)試引線制作成點(diǎn)式傳感器，并安裝在預(yù)留測(cè)試孔的模型表面測(cè)量熱流。傳感器電阻溫度系數(shù)均控制在2.5×10～3×10/℃，熱流傳感器溫度系數(shù)由實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定，標(biāo)定誤差在0.5%以?xún)?nèi)，熱流測(cè)量范圍為0.04～400 W/cm。

磷光熱圖技術(shù)的測(cè)熱原理如圖2 所示，高速氣流經(jīng)過(guò)模型表面之后，對(duì)模型表面的磷光涂層氣動(dòng)加熱；磷光發(fā)光材料感受表面溫度變化后，溫升程度不同的區(qū)域其向外輻射的可見(jiàn)光強(qiáng)變化也有所不同，通過(guò)科學(xué)級(jí)圖像采集系統(tǒng)記錄溫度引起的磷光材料發(fā)光變化，結(jié)合材料的溫度-光強(qiáng)特性曲線，反推出模型表面溫度變化情況，最終獲得模型表面的熱流分布信息。

圖2 磷光熱圖系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic Diagram of Phosphorescence Heat Map System

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图傲鲌?chǎng)條件

針對(duì)升力體外形的氣動(dòng)布局特征，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3 所示的模型。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test Model

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑楸馄降那蝈F外形，其端頭和后體設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，保證端頭和后體對(duì)接型面的一致性，實(shí)現(xiàn)不同外形的頭部的更換。模型全長(zhǎng)742 mm，圓球頭半徑=10 mm，橢球頭長(zhǎng)軸半徑=22 mm，短軸=17 mm，球頭和橢球頭端頭與后體對(duì)接面在=50 mm的地方，實(shí)現(xiàn)球頭模型和橢球頭模型的互換，端頭和身部上下表面配合實(shí)現(xiàn)無(wú)臺(tái)階平滑過(guò)渡。

熱圖測(cè)熱試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4 所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠟樘祭w維布，相機(jī)拍攝的視角是模型迎風(fēng)大面積區(qū)域，由于測(cè)量窗口的限制，相機(jī)的有效拍攝區(qū)間為模型頭部到軸向450 mm 范圍。

圖4 熱圖試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Test Model of TSP

根據(jù)激波風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)模型表面轉(zhuǎn)捩情況，選取激波風(fēng)洞中高馬赫數(shù)、低雷諾數(shù)流場(chǎng)條件，試驗(yàn)流場(chǎng)參數(shù)如表1 所示。

表1 風(fēng)洞來(lái)流參數(shù)Tab.1 Incoming Flow Parameters of Wind Tunnel

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5 給出了流場(chǎng)I條件下迎風(fēng)面熱流測(cè)試結(jié)果。

圖5 流場(chǎng)I測(cè)熱結(jié)果Fig.5 Heat Measurement Results of Flow Field I

續(xù)圖5

由圖5 可知，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻鏌崃飨鄬?duì)熱流較大的區(qū)域集中在模型兩側(cè)的前緣區(qū)域，橢球頭模型=450 mm 之前模型處于層流狀態(tài)，而球頭模型=450 mm附近熱流有一定升高，但不明顯。結(jié)合迎風(fēng)子午線上熱流傳感器結(jié)果可以明顯地觀察到迎風(fēng)子午線上邊界層的轉(zhuǎn)捩過(guò)程，橢球頭模型在=510 mm 處流向方向熱流出現(xiàn)了梯度較大的增長(zhǎng)，而圓球頭模型在=420 mm出現(xiàn)了熱流梯度較大的增長(zhǎng)，熱流傳感器測(cè)量結(jié)果與磷光熱圖結(jié)果結(jié)論一致；＞600 mm 的區(qū)域，兩模型均發(fā)展為完全湍流，二者熱流差異較小。

圖6 給出了流場(chǎng)Ⅱ條件下的迎風(fēng)面測(cè)試結(jié)果，可以看出，隨著雷諾數(shù)增大，兩個(gè)模型的身部邊界層都發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。

圖6 流場(chǎng)Ⅱ測(cè)熱結(jié)果Fig.6 Heat Measurement Results of Flow Field Ⅱ

續(xù)圖6

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)模型身部的邊界層轉(zhuǎn)捩形貌特征差別較大，對(duì)于橢球頭模型，迎風(fēng)面邊界層轉(zhuǎn)捩的位置則比較一致，轉(zhuǎn)捩過(guò)渡帶較短，自端頭頂點(diǎn)280 mm 處，邊界層開(kāi)始轉(zhuǎn)捩，在＞350 mm 處，二者邊界層幾乎全部轉(zhuǎn)捩為湍流流態(tài)；而圓球頭模型的轉(zhuǎn)捩發(fā)展過(guò)程與橢球頭有很大不同，邊界層轉(zhuǎn)捩起始位置更加靠前，存在一個(gè)明顯的由轉(zhuǎn)捩帶所控制的熱流間斷，在身部約=100 mm 處，迎風(fēng)子午線上的邊界層開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象，邊界層轉(zhuǎn)捩區(qū)沿著迎風(fēng)子午線逐漸向下游擴(kuò)大發(fā)展，表現(xiàn)出了明顯的對(duì)稱(chēng)性和過(guò)渡性，至=270 mm 處彈身邊界層完全轉(zhuǎn)捩為湍流流態(tài)。根據(jù)迎風(fēng)子午線上熱流傳感器的結(jié)果，可以看出橢端頭機(jī)體前部近球頭位置的測(cè)點(diǎn)熱流值要高于圓端頭外形的測(cè)量值，但是圓球頭模型迎風(fēng)子午線在=100 mm 以前已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)捩，橢球頭模型迎風(fēng)子午線在=200 mm 附近發(fā)生轉(zhuǎn)捩，并且圓球頭模型的轉(zhuǎn)捩過(guò)渡區(qū)較長(zhǎng)；在＞280 mm 的區(qū)域，兩種端頭外形的迎風(fēng)子午線邊界層完成了轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩后兩模型的熱流測(cè)量值差異不大，點(diǎn)測(cè)量結(jié)果與磷光熱圖測(cè)量結(jié)果結(jié)論一致。

總體來(lái)看，兩個(gè)雷諾數(shù)流場(chǎng)條件下，圓球頭模型的迎風(fēng)面轉(zhuǎn)捩位置比較靠前，其轉(zhuǎn)捩陣面自迎風(fēng)子午線逐漸向兩側(cè)發(fā)展，存在一個(gè)明顯的由轉(zhuǎn)捩帶所控制的熱流間斷，轉(zhuǎn)捩過(guò)渡區(qū)較長(zhǎng)；而相同來(lái)流狀態(tài)下橢球頭模型的迎風(fēng)面邊界層轉(zhuǎn)捩的位置則比較一致，且轉(zhuǎn)捩起始位置較圓球頭模型靠后，轉(zhuǎn)捩過(guò)渡區(qū)相對(duì)較短。

3 結(jié) 論

采用磷光熱圖和薄膜熱流傳感器測(cè)熱技術(shù)，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心Φ0.6 m激波風(fēng)洞開(kāi)展了升力體外形邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后得到了以下主要結(jié)論：

a）采用應(yīng)用點(diǎn)式鉑薄膜熱流傳感器和磷光熱圖兩種熱流測(cè)量技術(shù)，在激波風(fēng)洞開(kāi)展了升力體外形邊界層轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)研究，獲得了迎風(fēng)面轉(zhuǎn)捩陣面形貌，兩種測(cè)量手段轉(zhuǎn)捩測(cè)量結(jié)果規(guī)律一致。

b）不同外形的頭部對(duì)升力體迎風(fēng)面邊界層的轉(zhuǎn)捩過(guò)程具有明顯的影響，主要體現(xiàn)在：相同流場(chǎng)條件下圓球頭模型轉(zhuǎn)捩位置較橢球頭模型靠前；圓端頭的轉(zhuǎn)捩發(fā)展過(guò)程明顯的表現(xiàn)為由中心線向兩側(cè)逐漸擴(kuò)展，轉(zhuǎn)捩發(fā)生位置較橢端頭外形靠前；橢端頭的轉(zhuǎn)捩過(guò)渡帶則明顯較短。