一种暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置及测定方法与流程

本发明涉及航空航天风洞试验领域，具体为一种暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置及测定方法。

背景技术：

音爆是指飞行器运行速度达到超声速时，飞行器外形产生的一系列波系在向远处传播过程中相互干扰影响，最终汇集成的一道包罗飞行器头部的前激波和一道尾随飞行器尾部的后激波。当这种波系传播到地面，被人感知到的表现为两声雷鸣般的巨响。

作为一项独立的试验技术，音爆测量试验是指通过试验的方式获取飞行器产生的音爆特征。音爆测量试验的基本思路是，针对飞行器模型的某一试验状态，通过改变飞行器模型与测量装置在沿飞行航迹线方向的相对位置，获得在飞行航迹线下受到模型产生波系干扰时的压力相较于无干扰数据的变化特征。针对固定构型模型的试验状态主要包括：表征模型姿态变化的攻角和滚转角，以及表征模型音爆传播距离的模型质心与测量位置的纵向距离。

改变飞行器模型与测量装置在沿飞行航迹线方向的相对位置的方式通常有两种：一种是在试验期间保持模型在风洞中的位置不改变，通过运动机构改变测量装置在风洞中的相对位置，从而获得完整模型波系影响的方式；一种是在试验期间保持测量装置在风洞中的位置不改变，通过运动机构改变模型在风洞中的相对位置，从而获得完整模型波系影响的方式。

采用静压探针作为主要测量设备，是音爆测量试验的一种典型试验方式，该方式在风洞中的典型布局图如图1所示。图1中，1为风洞试验段上壁板，2为风洞试验段下壁板，3为模型，4为模型连接装置，5为模型作动机构（其用于控制模型移动），6为测量探针，7为测量探针连接装置，8为探针固定装置或探针作动机构（如果试验采用模型移动的方式，则8可以是探针固定装置，与试验段壁板连接，也可以是探针作动机构，只是在试验时不动作；如果试验采用探针移动的方式，则8是探针作动机构，通过该部分控制探针移动），9为参考探针，10为参考探针固定装置。

测量探针6和参考探针9为针状外形，在距探针头部一定位置垂直探针表面布置静压孔，静压孔与探针内的沿轴线贯通的管道联通，将管道通过外接管路接入压力测量装置，实现压力测量。

试验开始前，模型3通过模型连接装置4与模型作动机构5连接，测量探针6通过测量探针连接装置7与探针固定装置或探针作动机构8连接，参考探针9通过参考探针固定装置10与试验段壁板连接，在试验期间保持不动。

为了便于描述，定义如下坐标系：

x轴定义为位于风洞水平中分面内，沿风洞轴线方向，顺气流向下游为正；

y轴定义为垂直风洞水平中分面，顺气流方向看，向上为正；

z轴满足右手定则；

原点定义为位于风洞试验段入口截面内x、y、z轴交点。

需要说明的是，以上定义默认模型以及测量探针等安装在风洞试验段上下壁板，若安装在风洞左右侧壁，则定义进行相应调整。

以测量探针移动的试验方式为例，试验基本流程如下：

（a）根据试验条件，调整模型的姿态角；

（b）调整测量探针姿态角，保证探针轴线与风洞轴线平行；

（c）调整模型和测量探针在y方向上的相对位置，以满足模型和测量探针在y方向上具有给定距离h的要求；

（d）风洞启动，流场建立；

（e）探针作动机构控制测量探针沿着与风洞轴线平行的方向从远离模型音爆影响的x向位置逐渐移动穿过模型音爆影响区域后逐渐远离；期间，通过测量系统检测测量探针感受到的压力；在此期间，利用参考探针测量风洞来流静压；

（f）风洞关车；

（g）通过数据处理，即可获得在距离模型h时的模型音爆特征。

当采用模型移动的测量方式时，除了将移测对象和处于固定位置的对象互换外，其余试验流程一致。

音爆特征信号一般采用“过压”参数δp/p表征，其定义如下：

δp/p=（pp-ps）/ps；

其中，pp是指某一测量位置x受到音爆影响时的静压值；

ps是指在某一测量位置x未受到音爆影响时的静压值，即参考静压。

需要说明的是，以上给出的是理论计算公式，在试验时，是无法实现同时获得某一测量位置x受到和不受到音爆影响时的静压值。因此，在风洞试验时，往往选择在风洞流场均匀性较好且不在模型音爆影响区内的某一位置通过装置测量该位置静压，作为“过压”参数计算时的参考静压；或利用该测量结果，通过一定的数据处理，间接得到在某一测量位置x未受到音爆影响时的静压值。

音爆测量试验往往需要模型和测量探针在大范围的y方向距离区间内进行试验，以获得模型音爆特征随距离的传播变化规律。这个距离一般以相对于模型参考长度的倍数表征，定义为h/l，h表示模型与测量探针在y方向上的距离，l表示模型参考长度。可实现的h/l值越大，意味着越能够掌握音爆特征信号的传播规律。以真实飞行为例，当飞行器飞行高度为10000m，飞行器长度为100m时，其产生的音爆特征信号传到地面被人感受到时，对应的h/l=100；风洞试验受到风洞尺寸的制约，为了使h/l达到一定值，使得模型尺寸相较于常规测力试验模型小了很多。以在2米量级超声速风洞开展音爆测量试验为例，即使不考虑壁面激波反射以及边界层影响，使模型与测量探针在y方向上的最大距离达到2000mm，即使仅要求h/l=5，则模型参考长度不超过400mm，这与常规测量试验模型能够满足的长度1600mm的尺寸相差甚远。同时，考虑到音爆特征信号属于弱信号范畴，δp的峰值在100pa～1000pa量级，要保证高精度的测量，就要求模型细节的模拟更精细，模型外形的微小变化就会对音爆测量结果产生相对更大的影响。同时，为了尽可能避免支撑干扰，使得模型以及探针的支撑装置相较于常规试验支撑装置更细长更薄，强度和刚度更小。

传统的音爆测量试验装置主要在连续式超声速风洞中使用，由于该类型风洞启动时冲击载荷很小，模型、探针及其支撑装置暴露在试验段中不会产生大的变形。而对于暂冲式超声速风洞，风洞运行时，始终存在一道正激波，随着风洞总压的提高，正激波的稳定位置逐渐移向下游；当正激波稳定位置位于试验模型区下游时，风洞建立稳定的超声速流场；正激波扫过模型和探针所在区域瞬间，模型和探针将承受极大的气动力载荷并出现剧烈振动；在试验结束后风洞关车阶段，正激波回退经过模型和探针所在区域瞬间，模型和探针又将承受极大的气动力载荷并出现剧烈振动。在试验期间，模型和探针反复承受冲击载荷，极有可能导致模型和探针发生变形，从而影响音爆测量结果的准确性。

另外，由于δp的量值远远小于风洞来流静压，为了保证测量精度，一般选用小量程的差压传感器进行测量，传感器的参考端压力为在风洞流场均匀性较好且不在模型音爆影响区内的某一位置通过装置测量该位置静压，测量端压力为测量探针测值。在风洞启动/关车阶段存在某一时刻，测量端和参考端测值分别来自于正激波的上下游，由此产生的大的压差极有可能损坏传感器。

进一步，以往的音爆测量试验虽然模型和测量探针都具备运动能力，但运动能力差异较大，仅能满足采用模型移动和测量探针移动其中一种试验方式开展试验的要求。以测量探针移动试验方式为例，与测量探针配套的作动机构往往具备x、y以及攻角等自由度的调节能力，其中利用x、y向调节能力实现试验状态的改变，攻角的调节能力主要是用于保证探针的零攻角安装要求；而与模型配套的机构或是固定装置，即保证模型在试验期间始终保持同一状态，或者是仅具备x向和攻角的调节能力，其中x向调节能力远弱于测量探针配套的作动机构的x向调节能力，仅具备局部移动能力，不具备开展基于模型移动的音爆测量试验能力。采用模型移动的试验方式时，情况类似。

采用探针移动试验方式的优点在于，模型始终处于固定位置，模型波系变化相对固定；缺点在于，探针对测值变化比较敏感，测量探针移动区间内如果背景压力波动较大，可能影响测量探针测量结果。采用模型移动试验方式的优点是，测量探针位置固定，其受到的干扰是固定量，在数据修正时表现为一个系统差，相对较好处理；缺点在于，模型移动区间如果背景压力波动较大可能导致音爆特征曲线不是对应同一状态的结果。总而言之，两种试验方式各有优缺点，针对不同的情况，能够获得更可靠试验数据的方式可能不同。

另外，鉴于音爆特征的弱信号属性，无论是在不同风洞分别开展基于两种移动方式的音爆测量试验，还是在同一风洞通过改变模型以及测量探针在风洞中的布局实现基于两种试验方式的试验对比研究，都会引入许多干扰因素，影响试验数据的分析。

因此，在同一期试验中具备同时采用两种试验方式开展试验的能力能够获得更好的试验数据，同时，也更有利于试验数据的对比分析。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：为克服在采用暂冲式超声速风洞进行音爆测量试验，现有利用探针开展音爆测量试验时试验结果准确性不高的问题，提供一种暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置及测定方法。采用本申请的装置，能够有效的保护模型、测量探针及其支撑装置在超声速风洞启动/关车阶段不会因承受大的冲击载荷而发生变形，保护小量程差压传感器不被损坏。同时，采用本发明能够在保持试验整体布局不变的前提下，以模型移动和测量探针移动两种方式开展音爆测量试验，从而有效提高音爆测量结果的准确性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置，包括第一风洞试验段壁板、第二风洞试验段壁板、测量探针、测量探针连接装置、用于与待测模型相连的模型连接装置、参考探针、参考探针固定装置，所述第一风洞试验段壁板与第二风洞试验段壁板相对设置，所述第一风洞试验段壁板与第二风洞试验段壁板之间构成暂冲式超声速风洞试验段；

还包括与第一风洞试验段壁板相配合的第一驻室、与第二风洞试验段壁板相配合的第二驻室、第一自由度动作机构、第二自由度动作机构、第一试验段翻板、第二试验段翻板；

所述第一风洞试验段壁板上设置有第一开口槽，所述第一试验段翻板设置在第一开口槽上且第一试验段翻板能相对第一开口槽开闭；所述测量探针通过测量探针连接装置与第一自由度动作机构相连且第一自由度动作机构通过测量探针连接装置能带动测量探针实现x方向、y方向、攻角及滚转角方向的运动；所述第一驻室设置在第一风洞试验段壁板的外壁上，所述第一驻室与第一风洞试验段壁板之间形成第一暂存空间，所述第一自由度动作机构设置在第一暂存空间内且第一自由度动作机构能通过第一开口槽带动测量探针进入暂冲式超声速风洞试验段内；

所述第二风洞试验段壁板上设置有第二开口槽，所述第二试验段翻板设置在第二开口槽上且第二试验段翻板能相对第二开口槽开闭；所述模型连接装置的两端分别与待测模型、第二自由度动作机构相连且第二自由度动作机构通过模型连接装置能带动待测模型实现x方向、y方向、攻角及滚转角方向的运动；所述第二驻室设置在第二风洞试验段壁板的外壁上，所述第二驻室与第二风洞试验段壁板之间形成第二暂存空间，所述第二自由度动作机构设置在第二暂存空间内且第二自由度动作机构能通过第二开口槽带动待测模型进入暂冲式超声速风洞试验段内；

所述参考探针通过参考探针固定装置与暂冲式超声速风洞试验段相连。

所述第一风洞试验段壁板为风洞试验段上壁板，所述第二风洞试验段壁板为风洞试验段下壁板。

所述第一风洞试验段壁板为风洞试验段左壁板，所述第二风洞试验段壁板为风洞试验段右壁板。

所述第一自由度动作机构伸入暂冲式超声速风洞试验段内的部分、第二自由度动作机构伸入暂冲式超声速风洞试验段内的部分采用流线设计。

所述参考探针通过参考探针固定装置与第一风洞试验段壁板或第二风洞试验段壁板相连且参考探针位置应使其产生的波系不能影响模型附近气流流动。

采用前述试验装置的测定方法，包括如下步骤：

a、试验前，测量探针位于第一驻室内，待测模型位于第二驻室内，第一试验段翻板、第二试验段翻板分别保持关闭；

b、在暂冲式超声速风洞超声速流场建立后，第一试验段翻板、第二试验段翻板分别打开，测量探针通过第一自由度动作机构从第一驻室中伸出，待测模型通过第二自由度动作机构从第二驻室中伸出；

c、测量探针通过第一自由度动作机构、待测模型通过第二自由度动作机构分别运行至暂冲式超声速风洞试验段的初始试验位置后，第一试验段翻板、第二试验段翻板关闭；

d、按照给定的试验状态，改变待测模型姿态，并按照给定的试验方式开始试验；

e、试验结束后，第一试验段翻板、第二试验段翻板打开，测量探针通过第一自由度动作机构收回到第一驻室内，待测模型通过第二自由度动作机构收回到第二驻室内，翻板关闭；

f、暂冲式超声速风洞关车，完成测试。

针对前述问题，本申请提供一种暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置及测定方法。本申请的试验装置中，第一驻室、第二驻室分别安装于试验段内腔外，用于在风洞启动/关车阶段时，收纳待测模型、测量探针及配套的第一自由度动作机构、第二自由度动作机构提供空间；第一风洞试验段壁板、第二风洞试验段壁板上分别设置第一开口槽、第二开口槽（即壁板中间开槽），用以替换试验段原有实壁壁板，并作为试验时模型和测量探针由驻室进入试验段内腔的通道；第一试验段翻板、第二试验段翻板分别在测量探针和模型伸入试验段内腔试验时关闭，用于填充壁板与多自由度机构之间的间隙。本申请中，在风洞流场建立和试验结束时，第一试验段翻板、第二试验段翻板保持打开，分别为测量探针和待测模型出入驻室预留通道；待测模型通过第二自由度动作机构实现x方向、y方向、攻角以及滚转角的变化，既可以实现模型移动的试验方式，也可以在采用探针移动试验方式时，用于模型姿态和位置的调整。测量探针通过第一自由度动作机构实现x、y、攻角以及滚转角的变化，既可以实现测量探针移动的试验方式，也可以在采用模型移动试验方式时，用于测量探针姿态和位置的调整。

本申请中，第一试验段翻板、第二试验段翻板在关闭状态时，除为自由度动作机构移动留有必要的通道外，要求壁板与自由度动作机构的缝隙尽量小，同时，第一试验段翻板、第二试验段翻板与试验段未开槽部分尽量贴合，以减小对风洞流场的干扰。另外，模型和测量探针在驻室中的位置应保证翻板打开时，不会与待测模型和测量探针发生干涉。同时，第一自由度动作机构、第二自由度动作机构分别采用高精度设计，其有利于保证实际试验状态与给定的理论试验状态尽可能一致，以减小试验状态的差异对试验结果的影响。进一步，第一自由度动作机构、第二自由度动作机构伸入试验段内腔部分在满足强度要求保证试验安全的前提下应尽可能小，且采用流线设计，尽量减小对风洞流场的干扰。

本申请中，驻室尺寸只需要能够满足风洞启动/关车阶段时，待测模型、测量探针及配套的第一自由度动作机构、第二自由度动作机构的空间要求即可，而不需要像许多传统风洞驻室需要足够大并将试验段包裹在内，以保持试验段内腔气流通畅性和稳定性。

本申请中，第一自由度动作机构、第二自由度动作机构的采用，能够实现在同一风洞中保持试验整体布局不变的前提下，同时具备采用模型移动和测量探针移动两种试验方式，以开展音爆测量试验的能力。同时，第一自由度动作机构、第二自由度动作机构的采用，一方面能够满足试验状态改变的需求，另一方面提高了消除模型、测量探针及其配套连接装置安装误差的能力，能够更好的保证实际试验状态与给定试验状态的一致性。进一步，第一自由度动作机构、第二自由度动作机构的采用，一方面能够满足利用测量探针开展空风洞背景压力测量试验的需要；另一方面，能够保证试验期间，一套自由度动作机构出现故障，需要紧急关车时，另一套自由度动作机构以控制与其连接的模型或测量探针回到安全位置，不至于损坏所有的试验装置。

进一步，采用本申请进行试验，有利于试验的进行，并尽量减少影响试验结果的准确性的干扰因素。

综上所述，采用本申请进行音爆测量试验，能够避免模型和测量探针因反复承受冲击载荷发生变形，以及小量程差压传感器因测量正激波前后压差而损坏的问题；能够在试验整体布局不变的前提下，具备分别采用模型移动和测量探针移动两种方式开展试验的能力；能够有效地消除模型、测量探针及其配套连接装置的安装误差，使实际试验状态与要求的试验状态尽可能保持一致，有效保证基于暂冲式超声速风洞获得的音爆测量结果的准确性和可靠性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为现有技术中，采用静压探针作为主要测量设备，进行音爆测量试验的一种典型试验方式。

图2是本发明装置将模型和测量探针收入驻室并保持翻板打开的示意图。

图3是本发明装置将模型和测量探针伸入试验段并保持翻板关闭的示意图。

图4是图3的a向视图。

图5是图3的b向视图。

图中标记：1、风洞试验段上壁板，2、风洞试验段下壁板，3、模型，4、模型连接装置，5、模型作动机构，6、测量探针，7、测量探针连接装置，8、探针固定装置或探针作动机构，9、参考探针，10、参考探针固定装置，11、第一驻室，12、第一自由度动作机构，13、第一试验段翻板，14、第二驻室，15、第二自由度动作机构，16、第二试验段翻板。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图所示，本实施例的暂冲式超声速风洞音爆测量试验装置包括第一风洞试验段壁板、第二风洞试验段壁板、测量探针、测量探针连接装置、用于与待测模型相连的模型连接装置、参考探针、参考探针固定装置，第一风洞试验段壁板与第二风洞试验段壁板相对设置，第一风洞试验段壁板与第二风洞试验段壁板之间构成暂冲式超声速风洞试验段。本实施例中，第一风洞试验段壁板为风洞试验段上壁板，所述第二风洞试验段壁板为风洞试验段下壁板。

本实施例的试验装置还包括与风洞试验段上壁板相配合的第一驻室、与风洞试验段下壁板相配合的第二驻室、第一自由度动作机构、第二自由度动作机构、第一试验段翻板、第二试验段翻板。

本实施例中，风洞试验段上壁板上设置有第一开口槽，第一试验段翻板设置在第一开口槽上，测量探针通过测量探针连接装置与第一自由度动作机构相连。第一驻室设置在风洞试验段上壁板的外壁上，第一驻室与风洞试验段上壁板之间形成第一暂存空间，第一自由度动作机构设置在第一暂存空间内。该结构中，第一试验段翻板能相对第一开口槽开闭，第一自由度动作机构通过测量探针连接装置能带动测量探针实现x方向、y方向、攻角及滚转角方向的运动；第一自由度动作机构能通过第一开口槽带动测量探针进入暂冲式超声速风洞试验段内，以实现相应的伸出和收回。

同时，风洞试验段下壁板下设置有第二开口槽，第二试验段翻板设置在第二开口槽上，模型连接装置的两端分别与待测模型、第二自由度动作机构相连且第二自由度动作机构通过模型连接装置能带动待测模型实现x方向、y方向、攻角及滚转角方向的运动。第二驻室设置在风洞试验段下壁板的外壁上，第二驻室与风洞试验段下壁板之间形成第二暂存空间，第二自由度动作机构设置在第二暂存空间内。

参考探针通过参考探针固定装置与风洞试验段上壁板相连。

本实施例中，分别在第一风洞试验段壁板上设置第一开口槽、第二风洞试验段壁板上设置第二开口槽，用以替代风洞原有实壁壁板，与原有左右侧壁共同构成气流通道。同时，驻室位于试验段内腔外与试验段壁板连接，安装端面密封以保证试验时不会有外部气流通过安装端面进入试验段内腔，模型通过模型连接装置与第二自由度动作机构连接，第二自由度动作机构安装在第二驻室内；测量探针通过测量探针连接装置与第一自由度动作机构连接，第一自由度动作机构安装在第一驻室内；参考探针通过参考探针固定装置与风洞试验段上壁板连接，试验期间保持不动。

基于前述试验装置的测定方法，包括如下步骤：

a、试验前，测量探针位于第一驻室内，待测模型位于第二驻室内，第一试验段翻板、第二试验段翻板分别保持关闭；

b、在暂冲式超声速风洞超声速流场建立后，第一试验段翻板、第二试验段翻板分别打开，测量探针通过第一自由度动作机构从第一驻室中伸出，待测模型通过第二自由度动作机构从第二驻室中伸出；

c、测量探针通过第一自由度动作机构、待测模型通过第二自由度动作机构分别运行至暂冲式超声速风洞试验段的初始试验位置后，第一试验段翻板、第二试验段翻板关闭；

d、按照给定的试验状态，改变待测模型姿态，并按照给定的试验方式开始试验；

e、试验结束后，第一试验段翻板、第二试验段翻板打开，测量探针通过第一自由度动作机构收回到第一驻室内，待测模型通过第二自由度动作机构收回到第二驻室内，翻板关闭；

f、暂冲式超声速风洞关车，完成测试。

本发明提高音爆测量试验结果准确性的原理基于以下两点：一是考虑到一方面音爆测量试验无论是模型还是测量探针尺寸远小于常规试验模型，但对模型外形的模拟精细化要求又远高于常规试验，同时探针作为一种压力敏感测量设备，外形的改变同样影响其测值；另一方面，暂冲式超声速风洞启动/关车阶段必然存在的正激波扫过试验段，并使模型和测量探针承受极大冲击载荷存在变形的风险。为了解决上述两个方面之间的矛盾，通过本发明的装置实现在风洞启动/关车阶段，将模型和测量探针收入驻室，在超声速流场建立后再进入气流中，使模型和测量探针避免反复承受冲击载荷而发生变形。同时，采用本发明，也避免了小量程的差压传感器在风洞启动/关车阶段因为测量正激波前后的超量程压力而损坏。另外，针对音爆信号属于弱信号范畴，测量结果受背景压力分布影响明显的情况，本申请通过利用两套相互独立的高精度宽范围长行程的多自由度机构，实现了在保证试验整体布局不变的前提下，采用模型移动和测量探针移动两种方式进行音爆测量试验，使得在不同的工况下，选择最优方式，获得更可靠的试验结果成为可能。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。