某高超聲速風洞模型底壓精確測量方法改進研究與試驗驗證

黃昊宇，黃 輝，張 鑫，凌忠偉

(中國空氣動力研究與發展中心高速所，四川 綿陽 621000)

0 引言

在風洞試驗中，模型底部壓力常用專用壓力傳感器或壓力掃描閥進行測量，同一飛行器的底壓量值隨著馬赫數增加會不斷減小，在現有設備條件下測量誤差也會不斷增大，特別在高超聲速流場條件下，模型底部為準真空狀態，壓力量值非常低，精確測量模型底壓更加困難。但模型底壓作為風洞氣動力試驗中的重要組成部分，其精準度會直接影響飛行器相關氣動特性的分析處理。根據對以往試驗數據積累分析，不同試驗模型外形條件下，飛行器底阻一般會占到模型總阻力的5%～20%，所以如果在飛行器氣動載荷分析計算中不能準確扣除底阻，就無法滿足風洞測力試驗數據精細化要求，也會給飛行器操縱性能的預測帶來明顯的困擾。

在某高超聲速風洞，原有模型底部壓力測量系統由于部件和測量方法的問題存在以下不足：

1)原測量傳感器放置于風洞洞體之外，測壓管路過長，影響模型底壓測量的動態特性。以往的試驗表明，在

Ma

=5試驗條件下模型底壓測值穩定時間需在15 s以上，而在模型底部壓力更低的

Ma

=8試驗條件時，底壓測值的趨穩時間更是超過了30 s，導致風洞試驗中氣源能耗增加，同時，由于管路長度影響，模型底壓測量是在趨穩過程中，影響測量數據的準確性和可信度。

圖1 新模型底壓測量系統主要技術方法

2)采用差壓式測量方式導致系統測量精度難以提高。早先系統采用大氣壓作為參考壓力，由于該高超聲速風洞模型底部壓力通常在幾十帕至幾千帕的范圍，與大氣壓的差壓大，測量傳感器通常使用量程為15 PSI，即使采用高精度的電子掃描閥或其他類型單只壓力傳感器，加上大氣壓測量本身的誤差，系統總誤差通常在60 Pa以上。后改用微真空為參考壓力，選用振動筒式絕壓傳感器測微真空參考腔內壓力，并選用小量程的高精度差壓傳感器測模型底壓與微真空參考腔壓力的差值。該方式的測量精準度有所提高，但由于真空泵工作引起的壓力波動、振動筒式絕壓傳感器與小量程高精度差壓傳感器的誤差，系統的總誤差可達到35 Pa左右，但仍難以滿足測量精細化的要求。

3)現場測量設備采用分體式結構，部件數量過多，操作和維護不便利。底壓測量管、試驗段洞壁轉接組件、底壓測量箱、真空表和真空泵等獨立部件，試驗時通過真空管路連接起來整體使用，試驗結束時再拆散存放，需要對5個環節共18處接頭進行組裝和拆卸，真空管路容易產生漏氣問題；底壓測量箱、真空表和真空泵等部件體積大、重量重，搬運不便。系統的試驗準備時間通常為2～3 h，且在吹風間隙需經常性地復核真空管路的氣密性。

圖2 新模型底壓測量系統工作原理圖

為此，項目組對其進行深入研究，重新設計研發了新的測量系統，確立了新的測量方法，從自動化程度、穩定性和精準度等幾個方面進行了優化改進。

1 系統研制

1.1 技術指標

根據該風洞試驗需求，新構建的測量裝置應滿足超聲速氣流條件下不同馬赫數下模型底部壓力測量系統對環境、測量范圍、精準度等方面的性能需求，需滿足以下要求：

1)測點數：4；

2)工作環境壓力：0～150 kPa；

3)工作環境溫度：5～200 ℃；

4)適用馬赫數：5～9；

5)工作頻度和時間：4次/小時、10分鐘/次；

6)底壓測量范圍：0～2 kPa；

7)測量精度：≤0.5%；

8)管路氣密性及通氣性：優良；

9)其他：氣路環節減少，操作簡便性提高，準備時間縮短至30分鐘內。

1.2 總體方案

針對某高超聲速風洞模型底壓難以準確測量的特殊情況，研制中摒棄了原有測量方式，采用了“直接測量、就近布置、做好保護、小型集成”的思路進行了系統整體設計，以達到提高模型底壓測量精準度的目的。

新系統的架構包括硬件和軟件兩個方面。硬件劃分為現場測量裝置和數據采集設備兩部分，現場測量裝置為全新設計的高集成度箱體，其主要測量部件使用高精度小量程絕壓傳感器，保護部件使用高可靠小尺寸真空泵、三通電磁閥及密封管路組成，而數據采集設備沿用風洞原有PXI數據采集系統；軟件在原風洞標準化數據采集和處理軟件的基礎上作適應性優化改進。其主要技術方法見圖1，系統工作原理見圖2，用到的技術途徑有：

1)引入高精度小量程的絕壓傳感器，直接測量模型底部壓力，以減小系統間接誤差；

2)采用傳感器放置于試驗段下駐室內靠近模型的地方，縮短底壓測量管的長度，以提高模型底壓測量的響應特性；

3)引入微型真空泵和三通電磁閥，以防止傳感器通電期間其工作腔出現過壓；

4)設計制作一個具備隔熱水冷功能、小型化、可安裝在試驗段內五自由度模型支撐機構上的底壓測量集成箱，將傳感器、微型真空泵和三通電磁閥集成安裝在箱體內部，以保證系統關鍵元器件在高溫環境下不會受熱損壞；

5)從模型尾部壓力測點到傳感器之間的真空管路，每個管路只設一處經常性拆卸環節，將試驗準備和結束時需拆裝的接頭數量減少為4個，以降低真空管路產生漏氣問題的概率；

6)優化底壓測量箱的外形和尺寸，以減少對五自由度模型支撐機構運行范圍的影響。

7)測處軟件做適應性改進，以實現對三通電磁閥動作、微型真空泵電源通斷等進行程控功能，以及對模型底壓測量數據的實時顯示。

1.3 硬件設計

從圖1可以看出，新系統的硬件部分在原PXI數據采集系統基礎上增加新的現場設備實現，包括底壓測量集成箱，配套的底壓測量管、冷卻水管路和信號線纜等。其中，系統核心部件為底壓測量集成箱，它主要由壓力傳感器、防過壓保護裝置和水冷隔熱箱體3個部分構成，箱體后壁配置有電、氣、水輸入輸出接口。集成箱布局見圖3。風洞試驗準備和結束時，需要裝拆和搬運的現場設備，只有一個小型的底壓測量集成箱和底壓測量管。

圖3 新模型底壓測量集成箱布局

1.3.1 壓力傳感器

本項目主要測量傳感器采用MKS絕壓式薄膜電容規，為絕壓測量方式。該類型傳感器量程可從1～3 325 kPa之間選取，由于該超聲速風洞流場建立后大部分模型底壓測量值一般低于1 kPa，為確保傳感器工作在穩定可靠的測試區間，本項目最后選用傳感器量程為0～4 kPa。

該傳感器標稱精度優于0.5% of reading，頻響小于20 ms，可滿足該風洞模型底壓測量對精度、響應時間要求。傳感器外形如圖4所示。

圖4 MKS絕壓式薄膜電容規

1.3.2 防過壓保護裝置

該風洞流場建立前后，模型底壓測值差量大，可達到100 kPa。考慮到絕壓式薄膜電容規的過壓特性，為保護其在流場建立前后不受損壞，系統中采用微型真空泵和三通電磁閥組成相應切換氣路對其進行保護。通過對國內外多種產品比對，最終確定使用德國Pfeiffer Vacuum公司生產的微膜片型真空泵和日本SMC公司的二位三通微型電磁閥建立防過壓保護裝置。

微型膜片真空泵的尺寸小便于集成，操作維護簡單，使用壓力范圍為133 Pa～0.1MPa，抽氣速度為0.25 m/h，泄漏率為6×10Pa·m/s，頻響優于20 ms，能持續24小時連續運轉，因此能滿足試驗高強抽吸能力和高強度連續運行的需求。

1.3.3 水冷隔熱箱體

該風洞試驗時來流空氣要進行加熱，隨著試驗馬赫數的增大，來流總溫最高可達800 ℃，試驗段下駐室的環境溫度也會隨之升高至最高200 ℃。由于底壓集成測量箱安裝在五自由度機構上，為保護箱體內高精密電氣設備工作穩定正常，必須采取一定的防熱措施。本項目中采用了“隔熱+水冷”方式進行防熱處理，主要方法是箱體采用上蓋可開啟的封閉結構，在殼體內布置不銹鋼水盤管進行冷卻，并填充保溫棉隔熱。

1.4 軟件設計

本項目數據采集處理軟件系統基于NI PXI總線的采集系統硬件平臺，使用BORLAND C++BUILDER 6.0編程平臺進行開發，其中Pacific 70A-5放大器和PXI6284多功能采集板卡負責傳感器放大調理和信號采集，PXI6528數字I/O卡負責真空泵、電磁閥等設備的遠程開關控制。通過程序適應性改進，原標準化數據采集軟件增加了測量集成箱內電磁閥和真空泵的遠程控制、底壓傳感器信號采集、底壓信號解析和預處理等三塊功能代碼，優化了程序流程，對電磁閥切換、真空泵啟停、壓力傳感器電源通斷、數據采集等動作時序進行了嚴格的流程控制，確保系統安全穩定運行。新系統的集成箱控制和底壓采集程序流程如圖5所示。數據處理軟件主要針對采集獲取的4個測點位置的模型底部壓力值

Pb

(

i

=1～4)進行事后處理，獲得每個測點位置的底阻系數

Cpb

、所有測點的底壓平均值

Pb

。

圖5 集成箱控制和底壓采集程序流程圖

2 關鍵技術難點及解決辦法

2.1 過壓保護裝置設計及工作流程

本項目選用的MKS傳感器量程非常小，且在通電狀態下不宜長時間暴露在大于13.3 kPa的氣壓環境中。而在該高超聲速風洞試驗使用過程中，模型底壓測點大部分時間直通大氣，只有在流場建立時才處于傳感器標定量程區間內。若無相應保護裝置，試驗前后模型底部壓力的變化范圍遠遠超過了MKS傳感器的承壓上限。因而，過壓保護裝置的安全性和便捷性設計是本項目研究中一個難點問題。項目針對此問題，采用的最終解決思路是：底壓測量集成箱內設計了由微型真空泵、三通電磁閥等構成的過壓保護裝置，在系統通電狀態下，主動創造一個滿足MKS傳感器使用要求的封閉真空環境，并通過設計電路和程序執行邏輯來實現其自動化程控操作，適時完成“傳感器工作腔——真空泵”氣路、“傳感器工作腔——模型底壓測點”氣路之間的切換，以達到保護傳感器、簡化操作的目的。底壓測量集成箱氣路原理如圖6所示。

圖6 集成箱氣路原理圖

2.2 測量管路優化

除傳感器自身性能指標外，影響底壓測量精準度的因素還包括測量管路長度、管路內徑、管接頭密封、測點位置。項目實施過程中，有針對性的對此難點做了三方面優化工作：

1)將底壓測量集成箱移進試驗段下駐室并安裝于五自由度機構的攻角機構小車平臺上，使模型底壓測點與傳感器之間的測量管路長度由5 m縮短至1.5 m，并將管路內徑增至2 mm，提高氣流在測量管路中的流通性，有效改進了底壓測量的動態響應性能。

2)測量管路上的管接頭均采用了長壽命的雙卡套真空快拆不銹鋼接頭，經過工廠安裝檢測合格后，除箱體與底壓測量銅管之間4套接頭外，其余接頭在使用過程中無需拆卸。這樣，整個測量管路需經常拆裝的接頭數量，比原系統減少了14個，提高了測量管路密封可靠性，同時也增強了操作便利性。

3)規范模型底壓測點位置，一般布置4測點，沿支桿外表面在水平和豎直方向以90°間隔均布，試驗時底壓管伸入模型底部約10 mm。

3 系統動態驗證試驗

本項目實施中做了三方面動態驗證試驗，內容包括新老系統對比試驗、新方法重復性精度測試和新系統典型試驗。試驗名義馬赫數

M

=5、6、7、8、9，試驗模型采用HB-2標模，模型迎角為-4°～14°，側滑角為0°。

3.1 新老系統對比試驗結果分析

新老系統對比試驗在

M

=4

.

95和

M

=7.95各進行了一次。圖7給出了典型的對比試驗結果，圖中橫坐標為數據的采集階梯數。由圖可知：

圖7 新老系統對比試驗結果

1)同老系統相比，新底壓測量系統的測壓管路大大縮短，因而各試驗迎角下的穩壓時間也明顯縮短。

M

=4.95時新系統在各試驗迎角下的穩壓時間約為9 s，而老系統約為36 s；

M

=7.95時各試驗迎角下的穩壓時間約為15 s，而老系統約為45 s。2)隨著馬赫數的增加，兩套系統之間的底壓測值差異明顯增大。

M

=4

.

95時的底壓測值差異相對較小，在

α

=0°和

α

=10°時兩套系統

Cpb

測值相差分別約為0

.

001 5和0

.

003；而在

M

=7

.

95時的底壓測值差異則相對較大，在

α

=0°和

α

=10°時兩套系統

Cpb

測值相差分別約為0.014和0.016。

對比兩套系統的穩壓時間，以及底壓測值隨迎角、馬赫數變化規律可以發現，新系統底壓測值更加準確可信。這主要是因為：老系統受測量管路長、管徑小、漏氣環節多等因素影響，動態響應特性相對較差。而新系統大幅縮短了管路長度，并減少了接頭泄漏環節，系統動態響應特性大大提高，在同樣的時間內新系統管路壓力更容易穩定，也更接近真實值，因此底壓數據的可信度大幅增加。

3.2 新系統重復性試驗結果分析

新系統重復性精度測試在

M

=4

.

95和

M

=7

.

95下各進行了5次重復性試驗，以檢驗新底壓測量系統的穩定性。

M

=4.95下試驗車次號分別為544～546、548～549，

M

=7.95下試驗車次號為553～557。圖8給出了相應的試驗結果曲線，由圖可知：

M

=4

.

95時

Cpb

重復性均方根誤差不超過0

.

000 4，

M

=7.95時重復性均方根誤差約為0.000 1，本期試驗重復性精度高。分析表明，新系統精度高、穩定可靠，能較好滿足風洞試驗高精度測量需求。

圖8 新系統重復性試驗結果

3.3 新系統典型試驗結果分析

新系統典型試驗在

M

=4.95、5.96、6.97、7.95和8.92下各進行了一次，圖8給出了新系統調試的典型試驗結果。由圖可以看出：在試驗范圍內，隨著馬赫數增大，HB-2標模的底壓系數逐漸增大，馬赫數之間的底壓系數差異逐漸減小，且同一馬赫數下，正負迎角的底壓系數對稱性良好，表明新系統的試驗數據可信，該系統可正式投入使用。

4 結束語

1)與老系統相比，新系統的動態響應特性顯著增強，穩壓時間明顯縮短，其中

Ma

=5穩壓時間縮短至原來的1

/

4，

Ma

=8穩壓時間縮短至原來的1

/

3，新系統的底壓測值更接近真實值，數據可信度明顯提升。2)新系統性能穩定可靠，測量重復性精度高，可實現高馬赫數下的模型底壓精準測量，

Ma

=5和

Ma

=8下的

Cpb

重復性均方根誤差均優于0.000 4，能較好滿足絕大部分試驗需求。

3)新系統可適用高溫環境，轉接環節少、密封效果好、拆裝方便，具備良好的可操作性和維護性，試驗準備時間明顯縮短。

4)新模型底壓精確測量方法具有較高的普適性，可用于大多數測力試驗，進行工程化應用。