碳/碳头锥的高压电弧试验性能

本文介绍了三向编织的碳-碳头锥最近的高压电弧试验结果。对表面粗糙度(根据稳态后退率和粗糙度增大加热过程的相互关系推导的)与试验后的测量值进行了比较。根据在滑移试验期间外形变化型面推断的层流边界层转变证明是非轴对称的。此外,对在滑移试验期间得到的两种明显不同的头锥变尖类型进行了鉴别,并研制了一种用来规定此变化过程的标准。     

头部外形对升力体转捩影响的试验研究

针对升力体飞行器外形设计了圆球和椭球两种头部外形,在中国空气动力研究与发展中心Φ0.6m激波风洞上,采用磷光热图和薄膜热流传感器两种热流测试技术,开展了升力体迎风面转捩特性试验研究。试验来流马赫数为8,单位雷诺数分别为4.1×10⁶m^-1、2.7×10⁷m^-1,模型攻角10°,结果分析表明：相同流场条件下,不同外形的端头对迎风面边界层的转捩过程具有明显的影响,圆球端头的转捩发展过程明显的表现为由中心线向两侧逐渐扩展,转捩发生位置较椭端头外形靠前;椭球端头的转捩靠后,且转捩过渡带明显较短。     

适用于高超声速边界层的转捩准则预测方法

采用层流+转捩准则+湍流模式方法对高超声速边界层转捩进行预测。采用f (Re, Me)类转捩准则耦合SA、SST湍流模式,对超声速平板边界层、2°攻角尖锥裙流动和类 X-51高超声速飞行器前体流动进行数值模拟研究。给出摩阻系数、热流系数和湍动能、涡粘性系数的计算结果。采用的层流+转捩准则+湍流模式方法能够较正确地预测高超声速边界层转捩。所采用的湍流模式本身的性能对边界层转捩的预测存在影响,主要表现在对来流扰动环境的感受性及涡粘性系数生成两方面。     

在佩斯梅克运载系统发射的宇宙飞行器上进行的碳-酚醛飞行试验

由50％碳纤维和50％酚醛树脂组成的碳-酚醛材料,在由佩斯梅克(PacemaKer)运载系统发射的可回收的宇宙飞行器上进行了飞行试验。制作的宇宙飞行器防热层,其烧蚀材料中的碳纤维在飞行器的各部位具有不同的排列方向。宇宙飞行器的试验环境所产生的热流在半球鼻锥处达13.6兆瓦/米~2(1200英热单位/英尺~2-秒),驻点压力达1.27兆牛顿/米~2(12.5大气压)。实验结果表明:由于高热流、剥裂的可能及炭的机械剥蚀,在鼻锥区可产生最大质量损失。在宇宙飞行器的锥部可观察到基本均匀的表面后退和炭层厚度。测量的热流率与计算的紊流和层流热流率的比较,以及用声传感器对边界层声压脉动的测量,可显示出边界层产生了转捩。声传感器为自由飞行研究中对边界层转捩的一般性研究提供了新的有趣的数据形式。     

高超声速飞行器转捩特性及表面特征研究

高超声速飞行器飞行时,会出现转捩问题,其对飞行器力/热特性和飞行器的设计均有显著影响。本文采用数值和工程方法相结合,对高超声速飞行器迎风面的转捩情况进行预测,同时对飞行器表面粗糙度和表面缺陷对转捩特性的影响进行研究。本文得到了飞行器飞行的转捩高度,同时,获得了转捩特性与表面粗糙度、表面缺陷的相关关系,对该类飞行器的设计有一定借鉴意义。     

高超声速边界层转捩及基于层流脉动能的转捩预测

高超声速边界层转捩现象长期以来一直是高超声速飞行器空气动力学的关键课题之一,其中转捩位置预测是转捩研究的一个重要内容。总结了高超声速边界层转捩的特征,在此基础上,分析了传统高超声速边界层转捩工程预测方法的局限,并重点介绍了基于层流脉动能的新的转捩起始位置预测方法的基本原理,及其理论建模和数值模拟研究的进展。     

飞行器表面气动加热抑制方法——层流控制技术

采用边界层流动控制方法可以有效抑制气动热的生成,减少热流向壁面的传递,从而降低飞行器表面温度和热流。由层流控制的机理入手,分析了流动稳定性理论在层流控制中的作用,并列举了目前常用的转捩预测方法。在多种层流控制方法中,重点介绍了混合层流控制和微尺度粗糙元层流控制。     

不同致密度Ti-6Al-4V粉末冶金工件的表面形貌及粗糙度

研究具有不同致密度的Ti-6Al-4V粉末冶金工件表面形貌,分析切削参数和致密度对其表面粗糙度的影响。Ti-6Al-4V粉末冶金工件表面出现因材料内部残余微孔隙而引起的微孔隙缺陷,且微孔隙缺陷随着粉末冶金材料致密度的减小而增大。随着工件相对致密度的降低,工件表面粗糙度先增大后降低。利用3水平4因素正交试验研究切削参数与材料致密度对工件表面粗糙度的影响,工件致密度对表面粗糙度的影响程度最小,在实际生产加工中可以忽略。获得已加工工件表面粗糙度的最优组合:切削速度为30 m/min、进给量为0.05 mm/r、切削深为1.5 mm和致密度为98.80%。     

欧拉方程计算气动力时的粘性修正研究

在采用欧拉方程进行气动力计算过程中，由表面压力积分来估计的阻力只考虑了压差阻力，计算得到的无粘阻力分解成诱阻和波阻。为考虑粘性，需进行边界层修正。在层流边界层计算时采用Cohen—Reshotko方法，边界层转捩计算采用Granville方法，湍流边界层计算采用Green方法。计算结果表明，通过粘性修正计算得到的升力、阻力系数(加上了摩擦阻力)更加接近风洞试验结果。     

碳纤维增强类复合材料烧蚀产物对等离子体流场特性影响的实验研究

高速飞行器表面的防热材料在气动加热产生的高温下会分解烧蚀并产生等离子体。为分析不同烧蚀条件下碳纤维增强类复合防热材料的烧蚀产物对下游流场特性的影响,利用高频等离子体风洞,采用高频感应加热方式对碳/碳和碳/碳化锆两种复合防热材料进行烧蚀并产生高速等离子体射流,在下游通过朗缪尔探针和平头柱塞量热计获得不同烧蚀状态下的流场电子数密度和驻点热流。研究结果表明：随着两种材料烧蚀率的增加,下游流场中的电子数密度和驻点热流逐渐降低,表明“黑障”风险和气动加热现象得到缓解;碳/碳化锆材料在降低下游流场的电离度和焓值方面优于碳/碳材料;随着材料前方来流焓值的增大,两种材料烧蚀造成的下游流场电离度和焓值的差异会在一定程度上缩小。     

再入飞行器最佳外形探讨

本文介绍再入飞行器可能的最佳外形的研究情况。选择再入飞行器最佳形状的准则是:气动稳定性、端头和截锥体边界层转捩的发生和传播、非对称端头形状变化引起的配平、最小的再入散布以及助推器的尺寸和重量限制。数值计算结果表明,根据上述准则,与球形端头相比,扁圆形端头(例如平面端头或5×1椭球形端头)具有较好的潜在性能。对于后体,只考虑了双锥外形,并且经研究确定最佳的双锥外形有如下特点:θ_1≈2θ_2和R_b≈2R_i,其中θ_1,θ_2分别为前后锥的半锥角,R_i是双锥连接处的当地半径,R_b是再入飞行器的底部半径。在这些约束条件下,有可能在截锥体边界层转捩性能不降低的条件下,改善再入飞行器的气动热力学性能,例如x_(c·p),随M_∞和α的变化小;烧蚀端头对下游的影响降到最小。本文也对文中提出的再入飞行器最佳外形的缺点进行了讨论。     

边界层转捩飞行测量方法及实现

针对高超声速边界层转捩飞行试验研究的需要,通过一体化的变厚度薄壁测温和热流辨识方法,利用测量薄壁内壁温度辨识表面热流可实现飞行器表面转捩位置的测量。考虑到飞行器高速飞行过程中表面气动加热和振动环境要求,对测量结构和机体结构开展了一体化模块设计,提高了测量结构的整体承载抗热振能力;利用热振联合地面试验系统,在飞行状态地面模拟条件下,对测热部件进行了热振联合试验考核,验证了测量结构的安全性和可靠性。地面热振联合试验和飞行试验结果表明,该型转捩测量结构可承受飞行条件气动加热和振动环境,能迅速地响应和准确地反映气动加热环境热流的变化,可准确捕捉飞行条件下高超声速边界层转捩现象。获取的热流转捩测量数据,可为高超声速转捩预测计算模型提供校准数据。     

高速气流中突起物的干扰加热

本文对平板上突起物引起的干扰加热现象进行了大量的实验研究。在平板上和突起物上都测量了气动加热率。所研究的参数包括不同的突起物尺寸、单位长度雷诺数、流动长度和边界层厚度等。突起物或是二维的、或是三维的。三维突起物或是淹埋在边界层之内,或是无限长,而平板上的流动或是层流、或是紊流。为了能把实验结果用于热设计,推导出了一种通用的加热率计算方法,并按这种方法对加热率数据进行相关整理。根据加热率变化的特性,本文导出了一些用以区分长、短、大、小突起物的准则。本文还讨论了突起物干扰对平板边界层转捩的影响。     

表面粗糙度和凹凸物对附面层转捩和阻力的影响

一、前言飞行器表面是不可能做得绝对光滑的。实际上飞行器表面本身的加工光洁度不高,或者由于表面涂层使表面具有一定的粗糙度。如果粗糙度高度超过某一临界值就会引起附面层提前转捩,增加了飞行器的表面摩擦阻力;另一方面,飞行器表面不可能是理想图形,由于表面存在着铆钉头、接缝、口盖等凹凸物,引起阻力增加。本文提供了表面粗糙度对附面层转换影响的一些实验资料,从附面层转换的角度对飞行器表面粗糙度提出了要求。另外,对紊流附面层中零倾角平板上的圆腔、凹槽、二元台阶和凸沟、铆钉头引起的阻力,提供了实验     

纯碳/碳材料烧蚀对飞行器等离子体流场的影响

高速飞行器表面的防热材料在气动加热产生的高温下会分解烧蚀,烧蚀产物进入空气边界层流场后,与流场中的高温空气进行复杂化学反应,对飞行器周围空气流场中组分浓度和等离子体分布产生影响.通过高频等离子体风洞,采取高频感应加热的方式产生超音速高温气流,在相同外形的纯碳碳材料模型和铜制水冷模型周围形成高温绕流流场.利用朗缪尔探针对...     

无扰动式边界层转捩探测器

在美国阿诺德工程发展中心冯·卡门设备上,利用激光干涉仪技术来确定超音速和高超音速风洞中试验模型上的边界层状态特征。边界层转捩探测器是根据激光横向干涉原理制成的,可用来测定可压缩流动内边界层的湍流频谱。使一束激光通过边界层,另一束参考激光在边界层之外,监测由这两束激光形成的干涉条纹的相移,即可实时探测由空气密度的起伏所表示出的湍流度。本方法对流场不产生扰动,而其它一些常用的方法(如比托管探针和热线风速仪)则对流场有扰动。文中给出了表明边界层从层流转捩成湍流的数据,把该探测器的测量结果与别的测量方法作了比较。     

加工参数对T800碳纤维增强复合材料铣削质量的影响

增大层厚和增加牺牲层加工工序，是控制大型航空碳纤维复合材料构件形变和装配精度的重要手段，然而如何对其牺牲层进行大余量高效铣削的同时确保无撕裂分层损伤面临挑战。表面柔软的玻璃纤维保护层和内部坚硬的碳纤维复合材料牺牲层因二者的材料性能差异较大，在铣削加工过程中很难同时确保二者均无毛边和分层。为此以某大型航空构件使用的T800碳纤维增强复合材料侧面铣削为例，开展了加工参数对材料铣削质量的影响试验研究，通过分别对硬质合金玉米铣刀、金刚石涂层铣刀、碳纤维专用复合铣刀和双刃聚晶金刚石铣刀4种不同结构形式刀具的铣削力、铣削温度以及加工表面粗糙度进行试验研究，分析了不同加工参数对表面加工质量的影响。试验结果表明：加工表面毛边高度随主轴转速的增加有减小的趋势，随进给速度和径向切深的增加有增大的趋势；较高的铣削温度会引起不同方向的纤维断裂位置发生偏移，导致加工表面粗糙度增大；采用锋利的刃形和多微刃铣削方式，在确保内部碳纤维增强复合材料加工质量的前提下，能够显著改善加工表面的毛边现象，使用左右旋微刃结构的刀具可以使铣削过程更加稳定。     

考虑烧蚀表面形貌影响的气动特性精确预示方法

高速飞行器在飞行过程中防热层烧蚀形成的粗糙表面会影响飞行器的气动特性。针对该问题,对烧蚀表面的近壁流动数值模拟方法进行了研究。采用等效砂粒粗糙度和粗糙函数相结合的方法,对粗糙表面形貌以及对边界层湍流流动的影响进行表征。基于高速粗糙平板风洞试验,开展了3种粗糙壁面湍流模型的数值模拟和验证。最后,以10°尖锥标模外形开展了不同壁面粗糙条件下的流场数值模拟,分析了壁面粗糙对气动特性的影响。研究结果表明,壁面粗糙会对法向力系数、轴向力系数和压心系数产生较大的影响。     

基于Reentry F的气动热工程方法及转捩研究

利用Reentry F飞行试验测量结果,应用变熵膨胀法及变熵流线法两种工程方法计算并与飞行结果比较,验证工程方法的准确性。同时利用数值模拟方法进行对比分析。通过对热流密度、转捩高度、转捩位置等参数的比较,研究边界层转捩判据的适用性。尽管与飞行试验结果存在一定的差异,但是在加热最严重的湍流区域相差很小,存在的差异不会对工程设计造成重大的影响。通过对转捩准则的研究,得到Reentry F适用的转捩判据。还需要在后续工作中进一步减小计算与飞行试验结果的差异,研究转捩准则的适用范围。     

微气泡尾翼弹丸流场主动流控制研究

面向主动流控制研发了基于硅酮橡胶材料的气泡型微致动器及其阵列技术。首先分析了微气泡薄膜变形高度与压力的关系,并对微致动器阵列下的尾翼弹丸进行了空气动力学仿真。结果表明：该微致动器扰动弹丸流场边界层的分离;在弹丸上对微致动器进行合理阵列布置,能够有效增大射程和减小横向偏移。因此,通过微致动器对弹丸的致动作用,可以实现对弹丸飞行流场的有益主动控制,达到增升减偏等控制目的。