非定常多體分離風洞試驗技術幾個關鍵問題

蔣增輝,薛 飛,魯 偉,宋 威,王譽超

(中國航天空氣動力技術研究院,北京 100074)

0 引 言

分離系統是現代飛行器設計的一個重要分系統,而分離碰撞已成為國外大量飛行試驗失利的主要誘因之一。作為飛行器設計的一個重要問題,多體分離問題的研究已越來越得到重視。美國在一體化高超聲速(IH)計劃中非常重視多體分離問題,把該問題列為IH項目助推技術領域關鍵物理挑戰問題之一[1]。

多體分離問題的地面研究手段有數值模擬和試驗。在試驗手段中,CTS試驗屬于準定常手段,網格測力試驗屬于定常手段,而多體分離風洞自由飛試驗和風洞投放模型試驗屬于非定常手段。對于多體分離風洞自由飛試驗和風洞投放模型試驗這兩項非定常試驗技術,作者曾在文獻[2]和文獻[3]中分別作過專題介紹,對其技術原理、特點以及各自的應用領域做了一些介紹,并在文獻[4]中作了一些簡單比較。但上述論文以及關于這兩種非定常多體分離風洞試驗技術的文獻[5-17]均缺乏對于兩種非定常試驗技術在一些重要問題諸如相似準則特點、應用領域等方面的共性特點和差異的系統總結和對比,尤其是多體分離風洞自由飛試驗,尚未見到有文獻對其相似準則的特點進行分析。

本文將在已有文獻基礎上,進一步總結和分析非定常多體分離風洞試驗技術在相似準則、應用領域等方面的共性特點和差異,以使對這兩種試驗技術的研究進一步完善,增進相關領域的研究人員對兩項非定常多體分離風洞試驗技術的了解。

1 非定常多體分離風洞試驗技術特點

與其他研究手段相比,非定常多體分離風洞試驗技術優點是具有分離體模型自由飛的特點,能夠實現對分離瞬間瞬態氣動力的模擬,進而滿足分離過程非定常和非線性的要求。這是非定常研究手段最重要的一個優點,因為非定常和非線性是多體分離問題的兩大特點,對準確模擬分離過程中模型的姿態變化和分離運動軌跡有較大影響。因此非定常研究手段可以更準確地模擬分離過程模型的姿態變化和分離運動軌跡,這是其相對于定常與準定常研究手段的獨特優點。另外,分離狀態可通過風洞觀察窗直接進行觀察,也是該試驗技術在多體分離問題研究中所具備的一大優點。

但其也存在一定的不足之處,例如由于非定常試驗手段部分或全部放開了支撐的作用,使得其在獲得自由度釋放帶來的優點的同時,也喪失了支撐本身所能起到的對試驗模型穩定姿態的作用[4],從而使得試驗結果的重復性較其他研究手段要差;同時,由于非定常研究手段是耗損性試驗,每次試驗需使用不同的模型,不同試驗模型的加工誤差、安裝誤差等都造成了試驗重復性較定常和準定常研究手段要差,同時也使得其試驗成本要明顯高于定常和準定常手段。

另外,非定常試驗手段其優點主要在于宏觀量的獲取,如運動軌跡和姿態等位移量的預測較為準確,而對確定位置處的氣動力等微觀量的獲取精度不如定常或準定常手段。

非定常試驗手段難度較大,就試驗難度來說,其排序可以表示為:非定常試驗＞準定常試驗＞定常試驗。

非定常多體分離風洞試驗技術主要包括多體分離風洞自由飛試驗技術和風洞投放模型試驗技術兩種。其不同在于多體分離風洞自由飛試驗中所有分離體模型均處于自由飛行狀態,而風洞投放模型試驗中母彈(或母機)固持,投放物模型處于自由飛行狀態,因此兩種試驗技術由于自由度全部或部分釋放的不同而帶來了試驗技術特點的一些差異。

2 相似準則問題方面的特點和差異

非定常多體分離風洞試驗技術對相似準則有著較為嚴格和苛刻的要求。兩種試驗技術均要求動力相似,而在實際的風洞縮比模型試驗中,恰恰是動力相似這個要求很難完全實現,從而使得試驗對真實飛行過程中的分離問題模擬效果受到一定影響。

2.1 風洞投放模型試驗的相似準則問題

風洞投放模型試驗存在輕、重模型法兩種方法,對于兩種方法的優缺點,一些文獻[3,18-22]都曾經做了一定的介紹,現對上述文獻中相關內容總結為表1,并對兩種方法的特點進行分析。

表1 高速風洞投放模型試驗重、輕模型法特點對比Table 1 Comparison between heavy scaling and light scaling of wind tunnel drop-model test

如表1中所述,重模型法模擬的垂直方向位移準確,這對投放模型試驗來說也是最重要的模擬量,但另一個較為重要的模擬量也就是角位移,其模擬是不準確的。由于其模型密度較大,往往也令模型設計難以實現。此外,重模型法由于質量較大,不太適用于有初始彈射速度或角速度的投放試驗,因為較大的模型質量所需要的彈射力也比較大,有可能會造成模型的損傷破壞,因此多用于無初始彈射的自由投放。

輕模型法的特點是較為簡單實用,但由于其存在垂直方向加速度不足的問題,因此其垂直方向的位移軌跡與實物有偏差(這個問題對于投放試驗較為重要),其余軌跡及角運動模擬都是準確的。

對于無初始彈射速度的自由投放來說,其分離是靠投放物模型的重力來實現的,而輕模型法重力加速度的不足使得投放物模型從分離初始其垂直分離軌跡即受到明顯影響,因此試驗結果與實際投放分離過程會存在較大差距;而有初始彈射速度的投放分離中,由于有初始分離速度的貢獻,因而垂直加速度不足的問題對分離過程的影響相對較小。因而輕模型法更適用于有初始彈射速度的投放試驗。

總體來說,對于風洞投放模型試驗來說,由于其關注點主要在垂直方向的分離問題上,所以重模型法如能實現,是更好的選擇。

2.2 多體分離風洞自由飛試驗的相似準則問題

如前所述,已有文獻對風洞投放模型試驗的相似準則問題介紹較多,而對多體分離風洞自由飛試驗技術的相似準則問題的分析討論則沒有見到。

由于兩種非定常多體分離風洞試驗技術均是基于動力相似,因此表1中總結的輕、重模型法的大多數優缺點對于多體分離風洞自由飛試驗依然是成立的,只是由于存在母彈有無支撐的不同,使得輕、重模型法在兩種試驗技術中的影響還是有所區別。

輕模型法在多體分離風洞自由飛試驗中有個特點尤其值得注意,就是由于多體分離風洞自由飛試驗中所有分離體均處于自由飛行狀態,因此所有分離體均與風洞投放模型試驗中的被投放物一樣,垂直方向上均存在加速度不足的問題。由文獻[18]可知,輕模型法中垂直加速度g與要求保證重力與氣動力之比相似所要求的垂直加速度g′的差值

式中,kl為模型縮尺比,Tm和Ts分別為風洞和飛行狀態下的溫度。由式(1)可知,由于各分離體模型均是按照同樣的相似準則設計,且與Δg相關的量kl、Tm和Ts對各分離體模型來說均是一致的,因此所有分離體模型的垂直加速度與要求動力相似所要求的垂直加速度的差值均是相同的,也即Δg1＝Δg2＝…＝Δgi(i＝1,2…,n),進而使得由其所引起的所有分離體垂直方向位移的不足也是相同的,如圖1所示。

這就意味著,采用輕模型法開展的多體分離風洞自由飛試驗,所有分離體在分離過程中其垂直方向的相對位移是與實物保持相似的,僅僅是所有分離體的絕對位移與實物不相似,因此其分離過程中的分離體之間不存在相對位移的偏差。這是與風洞投放模型試驗的輕模型法情況顯著不同的一點。

圖1 輕模型法多體分離風洞自由飛試驗中各分離體垂直方向位移不足示意圖Fig.1 Schematic of vertical displacement deviation of separation bodies for light scaling of multi-bodies separation wind tunnel free-flight test

由于輕模型法本身已經具備了實用性強、角位移和除垂直方向的線位移外其他方向線位移均與實物保持相似等優點,因此在具備了所有分離體在分離過程中垂直方向的“相對位移”與實物保持相似的特點后,多體分離風洞自由飛試驗在動力相似問題上幾乎可以說已較為“完美”。其唯一的缺陷(也即所有分離體絕對位移均與相似要求相差一個同樣大小的數值Δl),對于研究的主要目的也即多體分離安全性及分離軌跡幾乎沒有影響,且較易修正。

重模型法由于模型質量較大,因此多體分離風洞自由飛試驗可能難以采用發射方式將試驗模型發射進流場的觀察窗區域,故只能采用無初始發射速度的懸掛式試驗;同時,要在風洞試驗中實現分離體之間的相對分離速度也較困難,所以其更適用于無相對分離速度的多體分離問題;此外,由于重模型法在除垂直方向以外的線位移均存在偏差,因此在非垂直方向,各分離體之間也存在相對位移與實物保持相似,而絕對位移存在偏差的現象。

其他重模型法的缺點,如角位移存在偏差等問題,多體分離風洞自由飛試驗也均存在。

多體分離風洞自由飛試驗重、輕模型法的特點及與風洞投放模型試驗的對比可總結于表2。表中,凡是與風洞投放模型試驗特點不同的均標示出來,而沒有注釋的表明特點相同或相似。

綜合以上分析,與風洞投放模型試驗相反,對于多體分離風洞自由飛試驗來說,采用輕模型法是更好的選擇。

表2 多體分離風洞自由飛試驗重、輕模型法特點對比Table 2 Comparison between heavy scaling and light scaling of multi-bodies separation wind tunnel free-flight test

3 兩種非定常風洞試驗技術在各種多體分離問題的適用性

關于兩種非定常風洞試驗技術在各種多體分離問題的適用性問題,作者曾在文獻[4]中做過一些簡單闡述,本文將在此基礎上對此問題作詳細分析,對兩種試驗技術的多體分離問題適用性總結如表3所示。下面對不同的多體分離問題適用性分別進行論述。

表3 兩種非定常風洞試驗技術在各種多體分離問題的適用性總結Table 3 Applicability of the two unsteady multi-bodies separation wind tunnel free-flight test techniques

3.1 級間分離

對于級間分離來說,無論是串聯形式還是并聯形式,多體分離風洞自由飛試驗都能夠較好的充分反映兩體之間的干擾和分離過程。而風洞投放模型試驗由于需要將其中一級固支,因此在級間分離問題的研究中存在兩大問題:

1)無論是串聯形式還是并聯形式,由于通常級間分離的兩級質量和體積相差不大,因此若其中一級固支,則將無法反映兩級在分離過程中的互相干擾,因而分離運動過程有偏差;

2)對于串聯級間分離來說,若其中一級固支,則其垂直方向的位移受到約束,而另一級處于自由飛行狀態,其垂直方向的運動完全受氣動力和重力合力的影響,從而使得兩級在垂直方向上會發生與實際飛行狀態不一致的相對位移,且隨時間增長,相對位移會越來越大(氣動力與重力恰好相等這種極端情況除外);而對于并聯級間分離來說,采用風洞投放模型試驗則與飛機外掛物或者內埋武器投放分離類似,試驗結果受一級固支的影響相對較小。

綜上所述,無論串聯還是并聯級間分離,多體分離風洞自由飛試驗技術都是適用的,而風洞投放模型試驗技術則對串聯型的級間分離通常不適用,并聯型的級間分離則可以考慮采用風洞投放模型試驗技術作為對多體分離風洞自由飛試驗技術的補充。

圖2所示為美國布法羅研究中心CUBRC[23]采用多體分離風洞自由飛試驗技術開展的級間分離試驗研究圖像。

3.2 子母彈拋撒分離和導彈蒙皮、殼片拋撒分離

子母彈拋撒分離的問題,兩種試驗方法均適用,但根據具體的情況,兩種試驗方法的選取也有所不同。

例如,若子彈/殼片/蒙皮與母彈質量或體積相差較小,此時子彈/殼片/蒙皮與母彈之間的相互干擾較為明顯,因此宜選擇多體分離風洞自由飛試驗,以充分反映分離過程中分離體之間的相互干擾;此時若選用風洞投放模型試驗,試驗結果會產生一定的誤差。

若對分離瞬間母彈的姿態要求比較嚴格,則應選用高速風洞投放模型試驗為宜。因為多體分離風洞自由飛試驗由于母彈也處于自由飛行狀態,因此試驗中很難較為精確的將其控制在指定的姿態下進行分離試驗,從而會使得對分離姿態要求較為嚴格的分離問題試驗效果受到影響。

圖2 級間分離風洞自由飛試驗(美國CUBRC)Fig.2 Stage separation wind tunnel free-flight test(USA CUBRC)

3.3 重塊拋撒分離、整流罩分離

與風洞投放模型試驗相比,多體分離風洞自由飛試驗需要更大的縮比比例。對于重塊拋撒而言,由于通常重塊與母彈無論質量還是體積都相差較大,若采用多體分離風洞自由飛試驗,則可能會造成重塊模型縮比后尺寸過小,試驗中難以清晰觀察出其分離過程和軌跡,甚至可能小到難以實現相似設計[4];而風洞投放模型試驗由于母彈固定,模型縮比后尺寸可取的較大,較易實現重塊拋撒這類與母彈體積相差較大的拋撒投放試驗研究。

與重塊拋撒分離問題類似,整流罩分離問題若采用多體分離風洞自由飛試驗通常也將會面臨整流罩模型尺寸過小的問題,因此通常也是采用風洞投放模型試驗。

3.4 飛機外掛物投放分離、內埋武器投放分離

由于在自由飛行狀態下,很難將飛機類外形的飛行器穩定在一定的姿態下對導彈武器等投放物進行投放,因而較難采用多體分離風洞自由飛試驗來開展試驗研究。而且通常來說,飛機的質量和體積都比其外掛或者內埋的導彈武器質量和體積要大很多,使得投放物對載機的影響會比較小,基本可以忽略,因此兩類試驗通常通常都是采用風洞投放模型試驗技術來開展研究。

但在某些特殊情況下,也可能會存在投放物跟載機質量和體積比相差不大(也即大質量比投放)的情況,此時投放物模型在分離過程中對母機有明顯影響,分離過程中二者會產生明顯的相互干擾,進而對二者的分離軌跡和姿態均產生影響。若采用風洞投放模型試驗來開展研究,則由于試驗中母機模型固持,使得試驗中獲得投放物模型投放分離運動實際上沒有完全反映投放物與母機之間的互相干擾,因而與實際飛行中的投放物分離運動情況會有一定偏差。此時,也可考慮采用多體分離風洞自由飛試驗來進行研究以避免此影響,但是需保持分離時刻處于自由飛行狀態下的載機姿態滿足要求,因此試驗也存在一定難度。

圖3為作者所在團隊采用風洞投放模型試驗技術開展的類F-22模型內埋導彈風洞投放試驗圖像(輕模型法),圖4為試驗獲得的導彈模型線位移和角位移-時間曲線。

圖3 類F-22模型內埋導彈風洞投放試驗圖像Fig.3 Images of internal missiles release from a model similar to F-22 in wind tunnel

圖4 類F-22模型內埋導彈風洞投放試驗曲線Fig.4 Displacement curves of internal missiles release from a model similar to F-22 in wind tunnel

4 總結與展望

本文對兩種研究飛行器多體分離問題的非定常風洞試驗技術,多體分離風洞自由飛試驗技術和風洞投放模型試驗技術,其技術特點、相似準則及應用領域等方面的共性特點和差異作了較為系統的總結和對比。對于風洞投放模型試驗技術中輕、重模型法的不足之處,尤其是應用廣泛的輕模型法所固有的垂直加速度不足的問題,盡管國內外學者提出了較多的補償方法,但在實際應用依然存在較多問題,尚需進一步的研究以獲得更滿意的補償效果;而多體分離風洞自由飛試驗,如文中所述,沒有見到有文獻討論其相似準則問題,本文給出了其相似準則特點的分析,并將其輕、重模型法的特點作了總結對比。該試驗技術的一個較大優點就是其輕模型法的垂直加速度不足問題可以較為容易的彌補,因此可以在飛行器多體分離問題研究中獲得較為準確的模型分離軌跡及分離安全性結論。

多體分離風洞自由飛試驗技術與風洞投放模型試驗技術,既有相似之處,也有所不同。作為兩種有效的飛行器多體分離問題非定常風洞試驗研究手段,二者各有優缺點,在不同的多體分離問題上也各有所長,可互為補充。

由于技術的進步,使得在分離體模型內部內置測量裝置,以對在風洞中作自由飛行的分離體模型動態分離過程中的氣動力特性測量成為可能,這將為傳統的非定常多體分離風洞試驗中,通過高速攝像拍攝記錄的模型軌跡及姿態進行氣動參數辨識而獲得氣動特性方式提供有力補充,且有望獲得比氣動參數辨識精度更高的氣動力特性數據,從而彌補以往的非定常多體分離風洞試驗獲得氣動力數據辨識精度的問題。因此分離體模型內置測量裝置的試驗技術,將是未來非定常多體分離風洞試驗技術發展的重要方向。

隨著兩種非定常多體分離風洞試驗技術的不斷完善與提升,可望今后為型號設計部門提供更加準確的分離安全性評估,進而為型號研制的成功完成提供更好的保障。