本文介绍用弹道靶作跨音速试验的新方法,在二级轻气炮上采用了二个特殊的新技术:充气放炮能发射模型达到亚音速,低充填条件能发射模型达到跨、超音速。由于初始加速度较小,发射的模型外形完整,姿态稳定;加上没有支撑干扰和小洞壁效应的优点,使弹道靶设备在跨音速实验方面有特殊的优越性,用上述技术得到了圆球跨音速流场的清晰照片,其中击波脱体距离、分离点位置、颈部宽度、尾迹形状与超音速、高超音速流动比较有明显变化。文中M≈1.010和M≈0.99的二张全流场照片是十分有意义的。最后提出一个想法,用靶场加压、降温的方法可以提高雷诺数直到10~7以上

张振松

张正信

曾建国

李秉录

汪锡琦

王九瑞

葛学真

贾玉芳

郑之初

韩忠

马文驹

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

年 月 力 学 学 报 第 期弹 道靶 上 的 跨 音 速 实 验郑之初汪锡琦王九瑞李秉录韩 忠张振松葛学真曾建国张正信马文驹贾玉芳中国科学院力学研究所提要 本文介绍用弹道靶作跨音速试验的新方法 在二级轻气炮上采用了二个特殊的新技术 充气放炮能发射模型达到亚音速,低充填条件能发射模型达到跨、超音速 由于初始加速度较小,发射的模型外形完整,姿态稳定 加上没有支撑干扰和小洞壁效应的优点,使弹道靶设备在跨音速实验方面有特殊的优越性 用上述技术得到了圆球跨音速流场的 清 晰 照片,其中击波脱体距离、分离点位置、颈部宽度、尾迹形状与超音速、高超音速流动比较有明显变化 文中 二 和 澎 ”的二张全流场照片是十分有意义的 最后提出一个想法,用靶场加压、降温的方法可以提高雷诺数直到’以上一、引 言追溯到拉伐尔喷管中的跨音速喉道,跨音速流动的研究有近百年的历史了,然而在二十世纪四十年代前,由于数学和实验工具的困难,这一领域的研究进展缓慢四十年代后,为解决“音障”问题,跨声速研究受到了重视 年诞生了开槽壁,接着出现了多孔壁消除了阻塞现象,奠定了跨音速风洞的基本形态,为实验研究开辟了道五十年代末,动力革命使飞行器速度冲过音障到达了高超音速,为探索这一领域的奥吸引了许多科学家,于是跨音速」几一喇一之丫·卜一了一, 门〔二, 甲佗二二吮 口一一一一一一 【路秘,︸丹︵和年︶的研究又受到了所谓的“高超音速”危机近年来,计算机的发展有利于跨音速流动的数值分析,跨音速下良好气动特性新翼型的发现,在各国气动界引起了很大的反响,于是跨音速流动研究又重新活跃起 来 图 曲线山的二个峰值,反映了跨音速研究的二个活跃时期,而后一高峰似乎指示了气动力研究的一个新动向目前,运输机的高速化和大型化提出了研究高 数下跨音速流动的重要性,年代 〕图 跨音速研究的发展“ 一 ” 事件指出了风洞雷诺数不高会产本报告得到林同骥,卞荫贵同志指导和帮助,谨致谢意本文为编委林同骥研究员推荐,于 年 月 日收到© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net叭学 学 报 一 年生的严重问题 低 。 数下激波位置、分离点、气动力分布与高 数的差异曾经在生产上带来巨大的损失,它促使人们对高 数的跨音速实验设备发生浓厚的兴趣 目前,美国不惜上亿的投资,北大西洋组织的风洞工作组也准备筹建公用的高 数跨音速试验设备 除了建造大尺寸跨音速风洞外,还诞生了不少特殊的设备,如冷冻风洞,路德维希管,伊凡斯风洞,连激波管也加人了跨音速试验的行列【一本文介绍二种新的发射技术,使二级轻气炮也能发射模型达到亚、跨音速 加上模型无支撑干扰,小洞壁效应和比较经济地变化 数的优点,使弹道靶设备在流场显示、尾迹增长、阻力系数、分离流动和稳定性等跨音速研究方面显示了独特的能力,成为一个重要工具二、发 射 技 术【 中曾把弹道靶喻为 数从 范围内无所不能的模拟试验设备,如图 所示。在跨、超音速范围内国外通常用常规火炮作发射器,如果在轻气炮上能同时实现亚、跨、超和高超音速发射,这是使设备一专多能的新途径,是联系古老航空弹道靶与新颖超高速弹道靶的纽带在轻气炮上亚音速发射可以不装火药直接用充气放炮方法,原理如图 所示,把压缩管作贮气管,发射管中模型用膜片隔开,贮气管最大压力和模型释放压力均 由膜片控制,当压缩管压力升高到某一值时,膜片破裂,气体把模型发射出去 假定驱动气体以音速流人发射管中,低速发射时,用仅能启动模型的最低压力 估计模型在发射中的摩擦力用运动方程、用下述底压公式、登一 尸‘一 。 才“ 一 ”。 ‘群利用假设将 代人 中积分后,得到模型出口速度「 尸。 。一 尸理, ,全“ , 一 匀下厂 万 又——一一气丫 一 少功, 用‘其中计时器 侧速系统一 丫熟一遗一 一 弓,,,,留山 一一光协嘿溉歹 牲图 弹道靶设备示意图© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 期 郑之初等 弹道靶上的跨音速实验一 十 生立、一‘ 一 生, 一 击。 」下 。 是压缩管有效体积, ,是发射管长度, ,是发射管截面积, 。是压缩管充气压力,札是模型质量,对图 模型 ” 一 心 用此法在 毫米 口 径轻气炮上实现了亚音速发射,图 给 出了二种模型质量的出口 速度与充气压力关系曲线。宕图 充气放炮示意图万。 , 一 ,扮之夕《,一 克国今图, 大气压图 低能量转换发射示意图模型质 与出口速度关系曲线本文实验在跨音速范围,用低能量转换发射,即低充填条件和低压破膜技术,在活塞开始运动后不久压缩管压力不太高时破膜,模型在不高的底压下运动,当活塞进人高压室之前或者已经停止,或者模型已经出口,于是破膜压力与装药量一起成为调节速度的重要参数 由于此时底部压力较亚音速时稍高,为计算方便可以忽略摩擦力,引人平均压力 矛, ,二 了‘,灼 一 下。 价用前述假设改进【 中的计算,联立 和 式得到出口 速度 “,和 户,、少了通份尸,︸‘、了了、、厂。 ,粉户动六 些月户军一 护、其中、产一一 止匕匕 、‘ 汽二一 , 二导阶夕 一丁召护, , 、 、圣, 二一 少,气—, 气犷了 一了‘ 一省扮,户二户,氏。是轻气炮高压室的最大压力,对一定的发射器确定初始充气压力。 ,活塞质量 。 ,,破膜压力 , 等可由下式得到 尸二二、少﹂‘门了、、。一 小, , 一 。 , 二二。乙 , 一 奋尸, 才 ,夕弓花。, 一 。。 , 生 ,, 一 备 扩, 一 生、」 乙 ,© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net“ 一丛飞俨「,花丁 丫 。 一一 ‘ 、尸。。刃 二 , 一 一些 。一 一六一其中一 下。二犷了一乙‘ 」一与一上述表达式给出了通常轻气炮性能计算上没有的破膜压力与出口 速 度 的 解 析 表 达式 图 给出了二种模型质量的 , 和 “,关系曲线,图 给出了 , 和 的关系曲线 从图 可见 不同的装药量得到不同的发射速度,此外与超高速发射不同,跨声速时可以利用破膜压力对 出口 速度的敏感范围,用控制 , 来得到需要的 “, ,这比在风洞上需要更换亡二厂二二厂二住二 尸甲【二二「二二 已罗口尸。口 巨二一迎口反巨毛一 一劝护一 泣口 了产 一, 坛 动 翻竺」口尸抓大气压科 大气压卜尸一一泞 一甘尹产一曰 创卜口一目一 一咋尸尸一一井声沪一‘产 产沙︵日犷长︶拭遥气为兴﹄翻图一 勿‘破膜压力与出 口 速度关系曲线 图叨 印 加、破膜压力与最大压力关系克 一 。,克 本文实验琳谈雪弱广翻刁姗反戈浴生、, , ‘ , 一一图 轻气炮发射的圆球和旋成体模型结构示意图’ 川鑫。,本天贫 脸撼报, 一 乍脸拍 月 一, , 食睡 , 只月一口 ”’ “习认毕·众知乞一 曰石 山卜 侧匕图 回球脱休击波距离理论与实验结果比较一 【 计算曲线 。 本文实验结果 ▲ 「 实验结果 令 〔 实验结果 口 「们结果© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 ‘ 期 郑之初等 弹道祀上的跨音速实验喷管改变试验段等复杂措施实现 数变化,来得简单和经济三、圆 球 流 场小弹道靶上圆球的亚、跨音速实验是上述发射技术成功的标志 图 给出了模型结构,图版 照片 给出了不同 数下绕球流场的照片,实验中使用了纸膜,铝箔膜,胶布膜及复合膜,实验证明 速度控制与模型设计是成功的在得到的结果中二张 “ 和 、 “ 丁 的圆球流动照片是十分有意义的,众所周知 在 岛 附近 数微小变化对流场影响很大,以击波脱体距离 “ 和击波倾角 “为例·女口果 叽 》 ,, “一 ”, , 呻 ”,而当 一 , 时, , 呻、”一普·本文结果在 时 。 、, 。、李,在 、 ”时,脱体击波消失,成功地一’ 一证实了上述观点 各种跨音速设备由于 ” 时阻塞效应与洞壁干扰非常严重,因此不能得到 、 附近的流场,弹道靶上的跨音速试验较好地解决了这个问题 此外,图版照片的结果还指出在 这一范围内 数影响才特别明显 图 给出 了 本文结果中理论与实验结果的比较,在 范围内本文结果与 〕【 〕【 〕【 结果一致 在 、 附近,本文提供了一个其他实验设备难得的实验点飞行器的底部流动对气动力和气动热有很大影响,超音速、高超音速下在风洞中通过减小支杆截面,张线等技术勉强可以观察部分底部流动 在跨音速时尤其在 、 附近,洞壁和支撑干扰的严重使风洞中尾迹研究有更大的困难,而跨音速下底部流动特征的变化又促使人们企图得到流动的图象,这里弹道靶又显示了它的优越性 比较本文图版照片 和照片 的结果指出 跨音速时流动分离点前移颈部直径比增大,刃 ”在 时尾击波还存在,当 时消失尾迹增长很快就趋于不规则的外形,似乎存在着类似卡门涡的大湍流微团运动这些对跨音速全流场绕流模型的建立、分离流动、尾迹研究等提供了可靠的依据四、提高 数弹道靶上跨音速实验的成功,又为 数影响的研究奠定了基础 许多风洞标模实验指出 沪 下数据可信度很低, ‘ 数据随雷诺数变化比较平缓,如果 。 , 雷诺数对气动特性的影响就很小了〔们,所以跨音速下雷诺数的影响是一个重要问题 一般说来提高 。数有三个途径加大模型尺寸即加大设备规模提高环境压力即增加密度’降低环境温度 增加密度降低粘性应用上述任一途径,都能独立发展成一个特殊的跨音速试验设备如 冷冻风洞,大尺寸时常规跨音速风洞,路德维希管等上述方法在弹道靶上都能实现,因此简易的小弹道靶还能开展 数影响的实验研© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net力 学 学 报 年究 一个能发射 一巧 毫米直径模型的小发射器,配置直径 毫米长 米左右的小型靶场,按图 所示的模型进行试验,在常温常压下圆球的 、, ,旋 成 体 的、,如果增加靶场压力到 , 大气压和降低靶场环境温度 环 、,综合这些措施可以提高 数达到 沪 以上 表 给出了三种情况下的雷诺数 如果靶场抽空在 一 ,, 一 大气压时,可降至 护 左右,由于靶场容积小加压、抽空和降温的措施容易实现,对图 所示的旋成体降温加压后,没有飞行阻力激增弓起的非定常效应,所以这一实验方案在观察跨音速分离流动,击波和附面层干扰以及 数对它们的影响方面有很重要的意义表 , 不同环境下二种物体的飞行 。 数物 体特征长度 飞行速度毫米 米 秒环 境 条 件‘ 大气压‘““ 大气压了 二大气压丁圆 球旋成体澎 澎 只汀,愁 只二 丫澎五、结 论本文提出的充气放炮和低充填、低能量转换发射是解决二级轻气炮在亚、跨、超音速发射的有效方法 利用不同的装药量和破膜压力能有效地控制发射速度在弹道靶上作跨音速发射时破膜压力低,模型的初始过载小,炮口扰动小,发射的模型姿态稳定,可以给出比较真实的全流场模拟在弹道靶上通过抽空、增压、降温、变化模型尺寸可以降低或提高雷诺数,在考虑只。 数有关的现象研究时,弹道靶有经济,有效,易于实现的优点 它与国际上正在建设昂贵的跨音速设备相比,有顽强的生命力本文的实验较风洞或其它设备真实而清晰地指出 在 数 附近 、 ,流场变化极大,以圆球脱体击波为例,当 叽 、 时,司 迅速增加,击波倾角 。。菩而 数略小于 时,脱体击波即行消失 当 时 ‘,近尾迹处击波也消失在物体尾迹显示的实验中,弹道靶优越于风洞 不同于超音速情况,跨音速下圆球尾流场的分离点前移,颈部直径比增大 刃 “ 尾迹增长很快趋于不规则外形,有大的湍流微团运动参 考 文 献孙以钧,国外航空简报,林同演、贾振学, 中国科技大学专题讲义重见孝,力学译丛,汇 〕 潭起麟,气动研究与发展,〔 」 徐永定,气动力学刊,© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net第 期 郑之初等 弹道靶上的跨音速实验 ‘乃, , , , , 人 么人 印 一, , , ,, ,·,忱,,叨,印,吐 沙 , 备 时 叻,五,弃 肠曲, ” , , ,幻 , , 山, , 一 ·加,越 世,压, 们吐 ‘、毛,内月‘工, , 下,证, , ,二, ,鳍介时订时 , 万 。再 ”‘ 牡召, 。心娜她 讯葱必伍 加、枷。一。 邵 宫,佃‘韶 招云。 叨 班 让 切,成 一 昭’, ,一,恤毗 恤 公卿 哪 伍 五 城刀比 ,即 日 血叩一。任 蚝,,砍 尽 顽肚加,” 即 朋 劝企 伍,,© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.    http://www.cnki.net

弹道靶上的跨音速实验

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弹道靶上的跨音速实验

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