应力波天平在cardc激波风洞中的应用尝试

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1、应力波天平在C A R D C 激波风洞中的应用尝试 应力波天平在C A R D C 激波风洞中的应用尝试 刘洪山1 ，于时恩1 ，姜华1 ，吕治国1 ，M a d h a t M A b d e lJ a w a d 2 ( 1 中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳6 2 1 0 0 0 ；2 C e n t r ef o rl l y p e r s o n i c s ，D e p a r t m e n to f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，t h eU n i v e r s i t yo fQ u e e n s l a n

2、dA u s t r a l i a ) 摘要：本文简要介绍了应力波天平的基本原理，对C A R D C 与澳大利亚昆士兰大学超高速中心 的M a d h a t M A b d e lJ a w a d 博士就应力波天平技术进行交流的情况作了较为详细地介绍。并介 绍了应力波天平的校准和数据处理情况，着重描述了应力波天平在C A R D C 的0 6 米激波风洞 进行动态校准和风洞试验的过程，并对试验数据进行了初步分析，对今后在激波风洞上开展 应力波天平的进一步工作提出了初步构想。 O 引言 所有的固体都会以某一固定速度传递应力波。当流动冲击到模型时，将引起应力波通过 模型传播，并传到支杆上，

3、无论是拉伸还是压缩应力波均以材料的声速在模型和支杆上传播。 在一定条件下，应力波的强弱与冲击幅度的大小成正比，支杆上的应变计可以测量到由于应 力波作用而引起的应变。风洞试验时，根据测量出的应力值的时间历程和天平校准时得到的 脉冲响应函数，利用反卷积积分技术，就可以求解作用到模型上的空气动力与力矩。 1 9 8 9 年，澳大利亚昆士兰大学超高速中心首先报道了在i m s 时间内测量模型阻力的应力 波天平，随后应力波天平先后在德国亚琛大学激波试验室和美国C a l s p a n 激波风洞上进行过 试验，获得圆满成功，现已能测出2 0 0 “s 有效试验时间的气动力信号，标志着脉冲型设备气 动力测

4、量技术取得了巨大进展。 2 0 0 3 年8 月至9 月期间，中国空气动力研究与发 展中心( C A R D C ) 与澳大利亚昆士兰大学超高速中心的 M a d h a t M A b d e lJ a w a d 博士就应力波天平( S t r e s sW a v e F o r c eB a l a n c e ) 技术进行了广泛的技术交流，并采用 三分量应力波天平( 见图1 ) 在我部0 6 米激波风洞上 进行气动力测量。 1应力波天平 1 1 压电式应力波天平简介 图1 应力波天平模型照片 昆士兰大学应力波天平是用于火星探测器( M a r s P a t h f i n d e

5、r ) 返回舱缩比模型气动力测量的三分量应力波天平( 下称M P 应力波天平) 。模型 与天平采用不锈钢材料4 3 4 0 制成一体，以消除天平与模型的多个连接环节，利于应力波传播。 M P 应力波天平的敏感元件采用小尺寸半导体应变片，以抑制天平信号的噪声。因其中一敏感 元件破损，而在国内很难找到与之完全一致的应变片，而其它敏感元件组成的电桥对放大器 外调平衡范围要求高，我部现有放大器无法满足使用要求，经讨论协商后将所有天平敏感元 件均替换成3 r a m X3 啪的P Z T 压电陶瓷片。由此由澳大利亚应力波天平技术与我部压电天平敏 感元件设计技术相结合的压电式应力波天平诞生了。 1 2 天

6、平校准 目前，国内风洞天平不论是应变天平还是压电天平均有较为复杂的校准系统，而应力波 天平校准无需专门的校准系统。校准时，天平和其它环节的连接应确保与风洞试验时完全一 致，同时保证数据采集系统( 包括：放大倍数、采样速率、采样点数等) 一致。施加的载荷 2 9 3 第十一届全国激波与激波管学术会议 应为具有确定时间历程的动态信号，数据处理技术为卷积和反卷积技术。校准的关键在于动 态载荷的正确施加、准确记录和数据处理。 动态载荷的正确施加关键在于力锤敲击及其信号的判断。M P 应力波天平的校准采用力锤， 并配有I C P 传感器电源模块。天平模型上布了2 7 个点( 约巾0 2 m m ) ，其

7、中钝锥前部2 1 点， 上下肩部各3 个点( 见图2 ) 。 图2 模型上力锤敲击位置示意图 1 3 校准数据处理 应力波天平校准数据的处理较为复杂，包括信号预处理( 天平和力锤输出信号起点置零、 剔除直流偏置电压和力锤信号噪声剔除) 、单响应脉冲求取、复合脉冲响应求取三大环节。 2 试验设备及流场条件 此次测力试验在我部0 6 米激波风洞上进行。0 6 米激波风洞是由内径为8 0 m m ，高压段、 低压段长度分别为7 5 m 和1 2 5 m 的激波管和相应的喷管、试验段、充气系统、液压及控制系 统和真空系统组成。其型面喷管出口直径为O 6 m ，能模拟飞行马赫数6 1 2 ，单位雷诺数范

8、 围为1 0 1 0 5 “ - - 6 5 1 07 m 的飞行状态，有效试验时间为2 1 6 m s 。试验段模型支架的攻角范 围为一1 0 0 “ - - 3 8 0 ( 测热、测压的攻角机构，测力试验仅有几个攻角) 。本次试验模型的攻角口 = 5 0 ，流场的主要来流参数见表1 。 表1 试验流场参数表 驱动被驱动气体( 0 8 5 H 。+ 0 1 5 N 。) N ： 驱动压力( M P a ) 1 2 O 被驱动压力( M P a ) O 1 激波马赫数 3 0 7 7 总压( M P a ) 6 9 0 6 总温( K ) 1 4 5 7 1 有效运行时间( m s ) 1 1

9、 马赫数 1 0 0 2 动压( P a ) 9 8 2 0 静密度( K g m 3 ) 0 0 0 6 4 静温( K ) 7 4 8 7 静压( P a ) 1 3 7 0 2 激波速度( m s ) 1 7 6 7 2 试验所采用的测试仪器有：D H 5 8 6 2 A 准静态电荷放大器、C S 2 2 1 2 5 数据记录仪以及配套的 测试计算机。 应力波天平在C A R D C 激波风洞中的应用尝试 3 风洞试验 3 1 试验准备 风洞试验准备最为关键的环节便是保护罩( S h i e l d i n g ) 及天平支杆( S t i n g ：5 0 0 m m x 由7 0 m

10、 m ) 的设计和安装。天平及模型通过线对线找准由螺纹连接，并通过键槽、锥孔配合连接于简易 的5 0 攻角机构，攻角机构安装于风洞的燕尾槽上，每一连接处除确保牢靠连接外，均用黄油 ( G r e e c e ) 涂抹，以利于应力波的传输。采用保护罩的主要目的在于避免除模型以外的天平 测量系统外露于气流，以阻止由气流引起的应力波在模型以外的任何区域( 天平、模型和支 架系统内) 发生，防止破坏天平敏感元件在气流到来之时对由模型与外流作用引起的应力波 测量。 3 2 数据处理 试验数据的处理，主要是依据天平在风洞现场校准时，通过反卷积积分技术求得的脉冲 响应函数，利用试验获取的数据，使用反卷积技术

11、求出试验时作用在模型上的气动力。这里 需要注意的是，在利用反卷积技术时，其叠代计算点数需要根据实践经验来确定，以便获得 比较理想的结果和计算速度( 点数过多会需要长时间的计算) 。 3 3 数据分析 试验共进行了6 次，图3 为试验的纹影照片。 图4 为试验阻力测量与皮托压力曲线的跟随性 对比，图中的阻力信号和皮托压力信号均采用各 自的峰值进行了归一化，由于在本次试验中没有 同时监测皮托压力，因此图中皮托压力曲线为 1 9 9 6 年流场校测结果的人工读取曲线。 由图4 分析可知：试验的阻力重复性较好， 与皮托压力的跟随性良好，阻力平均值判读约为 5 0 N ，与理论预估值相符。但由于采用了1

12、 K H z 滤 波，其阻力曲线的第一个高尖峰脉冲有可能被滤 去。可以看出，天平测量到了气流引起的阻力， 而不是由于风洞破膜引起的先于气流到达模型 的振动信号。但是从来流到达模型3 5 m s 左右后 阻力曲线与皮托压力曲线不再跟随看，这表明应 力波天平的敏感元件在来流到达模型3 5 m s 后有 其它未知因素出现，特别是某处可能诱发出了应 力波反射至天平力敏梁。这一应力波有可能是试 验气流到达真空箱底部后反射引起的。由于气流 速度为1 7 6 7 2 m s ，应力波在风洞试验段及天平 支杆的传播速度约为5 0 0 0 m s ，真空箱底部距天 平力敏梁的距离约为4 5 m ，因此，试验气流

13、到达 真空箱底部再反射至天平力敏梁所需的时间 L “。为3 4 m s ，与在3 5 m s 时刻左右后阻力曲线 与皮托压力曲线不再跟随的试验情况相吻合。 图3 纹影照片 t i m 亡 n s 图4 阻力与皮托压力曲线的跟随性对比 T 。；沁表明本次应力波天平测力试验中，天平的有效测量时间最长不超过3 4 m s ，否则，天平所 感应的不仅仅包含符合条件来流引起的应力波还包含有反射气流引起的应力波，从而引起天 平的判读错误。 2 O 8 6 4 Z O 2 4 6 L h仉良良吼瓴吨也吨 g葛4喵az墨一嚣一管目日譬2村嚣日 第十一届全国激波与激波管学术会议 但从皮托压力曲线看来，本流场的完

14、全建立时间约在5 m s ，远大于T ，。妇，因此，尽管试 验的阻力重复性较好，阻力平均值与理论预估值相符，但天平此时测出信号已不完全是由试 验气流引起，试验结果不能使用。 4 现有激波风洞应用应力波天平的可行性 根据应力波天平测量原理，结合激波风洞的运行特性，我们认为利用我部现有测力技术， 开展应力波天平技术研究是可行的。虽然由于激波风洞的振动特性，由驱动段破膜引起的振 动应力波有可能先于试验气流到达模型，但如果将天平通过细丝悬挂于风洞试验段，并保证 应力波天平的轴向自由运动，构成悬挂式应力波天平，则激波风洞的振动不会对应力波天平 测量带来障碍。 5 结束语 通过此次外事交流，可得出如下结论

15、： a 应力波天平结构简单，适合于脉冲风洞复杂情况下的气动力测量； b C A R D C 激波风洞必须进行适当的技术改造，才利于尾支应力波天平的进一步研究； c C A R D C 目前的技术储备有能力开展应力波天平测力技术研究。 参考文献 I 王礼立，朱兆祥应力波基础国防工业出版社，1 9 8 5 0 5 2S R S a n d e r s o n 。J M S i m m o n sa n dS L T u t t l eAD r a gM e a s u r e m e n tT e c h n i q u ef o rF r e eP i s t o nS h o c k T u n n e l s A I 从- 9 1 0 5 4 9 3 R J S t a l k e r ，J M S i n u n o n s ，A P a u U ，D J M e eM e a s u r e m e n to fS c r a m j c tT h r u s ti nS h o c k T u n n e l s A I A A - 9 4 - 2 516 2 9 6