自由活塞激波風洞壓縮管非等熵流動分析

易翔宇, 陳 星, 畢志獻, 陳 農, 紀 鋒, 諶君謀, 姚大鵬

(中國航天空氣動力技術研究院,北京 100074)

引 言

在高Mach數飛行條件下,飛行器表面氣體會出現振動能激發、離解及電離等現象,對氣動力/熱分布產生顯著影響[1];開展該類現象的模擬對地面試驗設備的能力提出了極高的要求[2].自由活塞激波風洞是一類得到廣泛應用的高焓地面模擬設備;從20世紀中葉以來,自由活塞激波風洞在高溫氣體動力學研究領域發揮著關鍵作用[3-4],典型如澳大利亞昆士蘭大學的T4[5-6],美國加州理工學院的T5[7-8],德國DLR的HEG[9-10],日本國家航天實驗中心的HIEST[11-12],英國牛津大學的T6[13]等.中國航天空氣動力技術研究院自主研發了一套2 m量級的自由活塞激波風洞,并在2017年投入使用[14].

自由活塞激波風洞的結構可分為4個主要部分:活塞壓縮器、激波管、噴管和試驗段(及其附屬的真空罐體).此類設備運行原理與激波風洞相似,即通過膜片的破裂產生入射激波,入射激波在激波管末端(激波管與噴管連接處)反射后對管內試驗氣體形成二次加壓加熱,隨后高溫高壓試驗氣體經過噴管并形成高Mach數試驗流場.自由活塞激波風洞的特點在于利用重活塞壓縮高壓段內的氣體(一般為氦氣、氬氣或二者的混合氣體),使其達到較高的溫度與壓力,大幅提升破膜后激波管內激波強度,進而提升駐室氣體的總溫,滿足高總焓值模擬需求[15-16].活塞壓縮器的運行狀態很大程度上決定了自由活塞激波風洞的性能,而壓……