黃昊宇,黃 輝,張 鑫,凌忠偉
(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所,四川 綿陽(yáng) 621000)
在風(fēng)洞試驗(yàn)中,模型底部壓力常用專(zhuān)用壓力傳感器或壓力掃描閥進(jìn)行測(cè)量,同一飛行器的底壓量值隨著馬赫數(shù)增加會(huì)不斷減小,在現(xiàn)有設(shè)備條件下測(cè)量誤差也會(huì)不斷增大,特別在高超聲速流場(chǎng)條件下,模型底部為準(zhǔn)真空狀態(tài),壓力量值非常低,精確測(cè)量模型底壓更加困難。但模型底壓作為風(fēng)洞氣動(dòng)力試驗(yàn)中的重要組成部分,其精準(zhǔn)度會(huì)直接影響飛行器相關(guān)氣動(dòng)特性的分析處理。根據(jù)對(duì)以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累分析,不同試驗(yàn)?zāi)P屯庑螚l件下,飛行器底阻一般會(huì)占到模型總阻力的5%~20%,所以如果在飛行器氣動(dòng)載荷分析計(jì)算中不能準(zhǔn)確扣除底阻,就無(wú)法滿足風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)精細(xì)化要求,也會(huì)給飛行器操縱性能的預(yù)測(cè)帶來(lái)明顯的困擾。
在某高超聲速風(fēng)洞,原有模型底部壓力測(cè)量系統(tǒng)由于部件和測(cè)量方法的問(wèn)題存在以下不足:
1)原測(cè)量傳感器放置于風(fēng)洞洞體之外,測(cè)壓管路過(guò)長(zhǎng),影響模型底壓測(cè)量的動(dòng)態(tài)特性。以往的試驗(yàn)表明,在Ma
=5試驗(yàn)條件下模型底壓測(cè)值穩(wěn)定時(shí)間需在15 s以上,而在模型底部壓力更低的Ma
=8試驗(yàn)條件時(shí),底壓測(cè)值的趨穩(wěn)時(shí)間更是超過(guò)了30 s,導(dǎo)致風(fēng)洞試驗(yàn)中氣源能耗增加,同時(shí),由于管路長(zhǎng)度影響,模型底壓測(cè)量是在趨穩(wěn)過(guò)程中,影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度。圖1 新模型底壓測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)方法
2)采用差壓式測(cè)量方式導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量精度難以提高。早先系統(tǒng)采用大氣壓作為參考?jí)毫?,由于該高超聲速風(fēng)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(cè)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(lèi)型單只壓力傳感器,加上大氣壓測(cè)量本身的誤差,系統(tǒng)總誤差通常在60 Pa以上。后改用微真空為參考?jí)毫?,選用振動(dòng)筒式絕壓傳感器測(cè)微真空參考腔內(nèi)壓力,并選用小量程的高精度差壓傳感器測(cè)模型底壓與微真空參考腔壓力的差值。該方式的測(cè)量精準(zhǔn)度有所提高,但由于真空泵工作引起的壓力波動(dòng)、振動(dòng)筒式絕壓傳感器與小量程高精度差壓傳感器的誤差,系統(tǒng)的總誤差可達(dá)到35 Pa左右,但仍難以滿足測(cè)量精細(xì)化的要求。
3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備采用分體式結(jié)構(gòu),部件數(shù)量過(guò)多,操作和維護(hù)不便利。底壓測(cè)量管、試驗(yàn)段洞壁轉(zhuǎn)接組件、底壓測(cè)量箱、真空表和真空泵等獨(dú)立部件,試驗(yàn)時(shí)通過(guò)真空管路連接起來(lái)整體使用,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)再拆散存放,需要對(duì)5個(gè)環(huán)節(jié)共18處接頭進(jìn)行組裝和拆卸,真空管路容易產(chǎn)生漏氣問(wèn)題;底壓測(cè)量箱、真空表和真空泵等部件體積大、重量重,搬運(yùn)不便。系統(tǒng)的試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間通常為2~3 h,且在吹風(fēng)間隙需經(jīng)常性地復(fù)核真空管路的氣密性。
圖2 新模型底壓測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖
為此,項(xiàng)目組對(duì)其進(jìn)行深入研究,重新設(shè)計(jì)研發(fā)了新的測(cè)量系統(tǒng),確立了新的測(cè)量方法,從自動(dòng)化程度、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度等幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。
根據(jù)該風(fēng)洞試驗(yàn)需求,新構(gòu)建的測(cè)量裝置應(yīng)滿足超聲速氣流條件下不同馬赫數(shù)下模型底部壓力測(cè)量系統(tǒng)對(duì)環(huán)境、測(cè)量范圍、精準(zhǔn)度等方面的性能需求,需滿足以下要求:
1)測(cè)點(diǎn)數(shù):4;
2)工作環(huán)境壓力:0~150 kPa;
3)工作環(huán)境溫度:5~200 ℃;
4)適用馬赫數(shù):5~9;
5)工作頻度和時(shí)間:4次/小時(shí)、10分鐘/次;
6)底壓測(cè)量范圍:0~2 kPa;
7)測(cè)量精度:≤0.5%;
8)管路氣密性及通氣性:優(yōu)良;
9)其他:氣路環(huán)節(jié)減少,操作簡(jiǎn)便性提高,準(zhǔn)備時(shí)間縮短至30分鐘內(nèi)。
針對(duì)某高超聲速風(fēng)洞模型底壓難以準(zhǔn)確測(cè)量的特殊情況,研制中摒棄了原有測(cè)量方式,采用了“直接測(cè)量、就近布置、做好保護(hù)、小型集成”的思路進(jìn)行了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì),以達(dá)到提高模型底壓測(cè)量精準(zhǔn)度的目的。
新系統(tǒng)的架構(gòu)包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件劃分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備兩部分,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置為全新設(shè)計(jì)的高集成度箱體,其主要測(cè)量部件使用高精度小量程絕壓傳感器,保護(hù)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(shù)據(jù)采集設(shè)備沿用風(fēng)洞原有PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);軟件在原風(fēng)洞標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集和處理軟件的基礎(chǔ)上作適應(yīng)性優(yōu)化改進(jìn)。其主要技術(shù)方法見(jiàn)圖1,系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖2,用到的技術(shù)途徑有:
1)引入高精度小量程的絕壓傳感器,直接測(cè)量模型底部壓力,以減小系統(tǒng)間接誤差;
2)采用傳感器放置于試驗(yàn)段下駐室內(nèi)靠近模型的地方,縮短底壓測(cè)量管的長(zhǎng)度,以提高模型底壓測(cè)量的響應(yīng)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(xiàn)過(guò)壓;
4)設(shè)計(jì)制作一個(gè)具備隔熱水冷功能、小型化、可安裝在試驗(yàn)段內(nèi)五自由度模型支撐機(jī)構(gòu)上的底壓測(cè)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(nèi)部,以保證系統(tǒng)關(guān)鍵元器件在高溫環(huán)境下不會(huì)受熱損壞;
5)從模型尾部壓力測(cè)點(diǎn)到傳感器之間的真空管路,每個(gè)管路只設(shè)一處經(jīng)常性拆卸環(huán)節(jié),將試驗(yàn)準(zhǔn)備和結(jié)束時(shí)需拆裝的接頭數(shù)量減少為4個(gè),以降低真空管路產(chǎn)生漏氣問(wèn)題的概率;
6)優(yōu)化底壓測(cè)量箱的外形和尺寸,以減少對(duì)五自由度模型支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)行范圍的影響。
7)測(cè)處軟件做適應(yīng)性改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)對(duì)三通電磁閥動(dòng)作、微型真空泵電源通斷等進(jìn)行程控功能,以及對(duì)模型底壓測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。
從圖1可以看出,新系統(tǒng)的硬件部分在原PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加新的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn),包括底壓測(cè)量集成箱,配套的底壓測(cè)量管、冷卻水管路和信號(hào)線纜等。其中,系統(tǒng)核心部件為底壓測(cè)量集成箱,它主要由壓力傳感器、防過(guò)壓保護(hù)裝置和水冷隔熱箱體3個(gè)部分構(gòu)成,箱體后壁配置有電、氣、水輸入輸出接口。集成箱布局見(jiàn)圖3。風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)備和結(jié)束時(shí),需要裝拆和搬運(yùn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,只有一個(gè)小型的底壓測(cè)量集成箱和底壓測(cè)量管。
圖3 新模型底壓測(cè)量集成箱布局
1.3.1 壓力傳感器
本項(xiàng)目主要測(cè)量傳感器采用MKS絕壓式薄膜電容規(guī),為絕壓測(cè)量方式。該類(lèi)型傳感器量程可從1~3 325 kPa之間選取,由于該超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)建立后大部分模型底壓測(cè)量值一般低于1 kPa,為確保傳感器工作在穩(wěn)定可靠的測(cè)試區(qū)間,本項(xiàng)目最后選用傳感器量程為0~4 kPa。
該傳感器標(biāo)稱(chēng)精度優(yōu)于0.5% of reading,頻響小于20 ms,可滿足該風(fēng)洞模型底壓測(cè)量對(duì)精度、響應(yīng)時(shí)間要求。傳感器外形如圖4所示。
圖4 MKS絕壓式薄膜電容規(guī)
1.3.2 防過(guò)壓保護(hù)裝置
該風(fēng)洞流場(chǎng)建立前后,模型底壓測(cè)值差量大,可達(dá)到100 kPa。考慮到絕壓式薄膜電容規(guī)的過(guò)壓特性,為保護(hù)其在流場(chǎng)建立前后不受損壞,系統(tǒng)中采用微型真空泵和三通電磁閥組成相應(yīng)切換氣路對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外多種產(chǎn)品比對(duì),最終確定使用德國(guó)Pfeiffer Vacuum公司生產(chǎn)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(guò)壓保護(hù)裝置。
微型膜片真空泵的尺寸小便于集成,操作維護(hù)簡(jiǎn)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(yōu)于20 ms,能持續(xù)24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),因此能滿足試驗(yàn)高強(qiáng)抽吸能力和高強(qiáng)度連續(xù)運(yùn)行的需求。
1.3.3 水冷隔熱箱體
該風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)來(lái)流空氣要進(jìn)行加熱,隨著試驗(yàn)馬赫數(shù)的增大,來(lái)流總溫最高可達(dá)800 ℃,試驗(yàn)段下駐室的環(huán)境溫度也會(huì)隨之升高至最高200 ℃。由于底壓集成測(cè)量箱安裝在五自由度機(jī)構(gòu)上,為保護(hù)箱體內(nèi)高精密電氣設(shè)備工作穩(wěn)定正常,必須采取一定的防熱措施。本項(xiàng)目中采用了“隔熱+水冷”方式進(jìn)行防熱處理,主要方法是箱體采用上蓋可開(kāi)啟的封閉結(jié)構(gòu),在殼體內(nèi)布置不銹鋼水盤(pán)管進(jìn)行冷卻,并填充保溫棉隔熱。
Pb
(i
=1~4)進(jìn)行事后處理,獲得每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的底阻系數(shù)Cpb
、所有測(cè)點(diǎn)的底壓平均值Pb
。圖5 集成箱控制和底壓采集程序流程圖
本項(xiàng)目選用的MKS傳感器量程非常小,且在通電狀態(tài)下不宜長(zhǎng)時(shí)間暴露在大于13.3 kPa的氣壓環(huán)境中。而在該高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)使用過(guò)程中,模型底壓測(cè)點(diǎn)大部分時(shí)間直通大氣,只有在流場(chǎng)建立時(shí)才處于傳感器標(biāo)定量程區(qū)間內(nèi)。若無(wú)相應(yīng)保護(hù)裝置,試驗(yàn)前后模型底部壓力的變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了MKS傳感器的承壓上限。因而,過(guò)壓保護(hù)裝置的安全性和便捷性設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目研究中一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。項(xiàng)目針對(duì)此問(wèn)題,采用的最終解決思路是:底壓測(cè)量集成箱內(nèi)設(shè)計(jì)了由微型真空泵、三通電磁閥等構(gòu)成的過(guò)壓保護(hù)裝置,在系統(tǒng)通電狀態(tài)下,主動(dòng)創(chuàng)造一個(gè)滿足MKS傳感器使用要求的封閉真空環(huán)境,并通過(guò)設(shè)計(jì)電路和程序執(zhí)行邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化程控操作,適時(shí)完成“傳感器工作腔——真空泵”氣路、“傳感器工作腔——模型底壓測(cè)點(diǎn)”氣路之間的切換,以達(dá)到保護(hù)傳感器、簡(jiǎn)化操作的目的。底壓測(cè)量集成箱氣路原理如圖6所示。
圖6 集成箱氣路原理圖
除傳感器自身性能指標(biāo)外,影響底壓測(cè)量精準(zhǔn)度的因素還包括測(cè)量管路長(zhǎng)度、管路內(nèi)徑、管接頭密封、測(cè)點(diǎn)位置。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,有針對(duì)性的對(duì)此難點(diǎn)做了三方面優(yōu)化工作:
1)將底壓測(cè)量集成箱移進(jìn)試驗(yàn)段下駐室并安裝于五自由度機(jī)構(gòu)的攻角機(jī)構(gòu)小車(chē)平臺(tái)上,使模型底壓測(cè)點(diǎn)與傳感器之間的測(cè)量管路長(zhǎng)度由5 m縮短至1.5 m,并將管路內(nèi)徑增至2 mm,提高氣流在測(cè)量管路中的流通性,有效改進(jìn)了底壓測(cè)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
2)測(cè)量管路上的管接頭均采用了長(zhǎng)壽命的雙卡套真空快拆不銹鋼接頭,經(jīng)過(guò)工廠安裝檢測(cè)合格后,除箱體與底壓測(cè)量銅管之間4套接頭外,其余接頭在使用過(guò)程中無(wú)需拆卸。這樣,整個(gè)測(cè)量管路需經(jīng)常拆裝的接頭數(shù)量,比原系統(tǒng)減少了14個(gè),提高了測(cè)量管路密封可靠性,同時(shí)也增強(qiáng)了操作便利性。
3)規(guī)范模型底壓測(cè)點(diǎn)位置,一般布置4測(cè)點(diǎn),沿支桿外表面在水平和豎直方向以90°間隔均布,試驗(yàn)時(shí)底壓管伸入模型底部約10 mm。
M
=5、6、7、8、9,試驗(yàn)?zāi)P筒捎肏B-2標(biāo)模,模型迎角為-4°~14°,側(cè)滑角為0°。M
=4.
95和M
=7.95各進(jìn)行了一次。圖7給出了典型的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,圖中橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)的采集階梯數(shù)。由圖可知:圖7 新老系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
1)同老系統(tǒng)相比,新底壓測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)壓管路大大縮短,因而各試驗(yàn)迎角下的穩(wěn)壓時(shí)間也明顯縮短。M
=4.95時(shí)新系統(tǒng)在各試驗(yàn)迎角下的穩(wěn)壓時(shí)間約為9 s,而老系統(tǒng)約為36 s;M
=7.95時(shí)各試驗(yàn)迎角下的穩(wěn)壓時(shí)間約為15 s,而老系統(tǒng)約為45 s。2)隨著馬赫數(shù)的增加,兩套系統(tǒng)之間的底壓測(cè)值差異明顯增大。M
=4.
95時(shí)的底壓測(cè)值差異相對(duì)較小,在α
=0°和α
=10°時(shí)兩套系統(tǒng)Cpb
測(cè)值相差分別約為0.
001 5和0.
003;而在M
=7.
95時(shí)的底壓測(cè)值差異則相對(duì)較大,在α
=0°和α
=10°時(shí)兩套系統(tǒng)Cpb
測(cè)值相差分別約為0.014和0.016。對(duì)比兩套系統(tǒng)的穩(wěn)壓時(shí)間,以及底壓測(cè)值隨迎角、馬赫數(shù)變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),新系統(tǒng)底壓測(cè)值更加準(zhǔn)確可信。這主要是因?yàn)椋豪舷到y(tǒng)受測(cè)量管路長(zhǎng)、管徑小、漏氣環(huán)節(jié)多等因素影響,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性相對(duì)較差。而新系統(tǒng)大幅縮短了管路長(zhǎng)度,并減少了接頭泄漏環(huán)節(jié),系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性大大提高,在同樣的時(shí)間內(nèi)新系統(tǒng)管路壓力更容易穩(wěn)定,也更接近真實(shí)值,因此底壓數(shù)據(jù)的可信度大幅增加。
M
=4.
95和M
=7.
95下各進(jìn)行了5次重復(fù)性試驗(yàn),以檢驗(yàn)新底壓測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。M
=4.95下試驗(yàn)車(chē)次號(hào)分別為544~546、548~549,M
=7.95下試驗(yàn)車(chē)次號(hào)為553~557。圖8給出了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果曲線,由圖可知:M
=4.
95時(shí)Cpb
重復(fù)性均方根誤差不超過(guò)0.
000 4,M
=7.95時(shí)重復(fù)性均方根誤差約為0.000 1,本期試驗(yàn)重復(fù)性精度高。分析表明,新系統(tǒng)精度高、穩(wěn)定可靠,能較好滿足風(fēng)洞試驗(yàn)高精度測(cè)量需求。圖8 新系統(tǒng)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果
M
=4.95、5.96、6.97、7.95和8.92下各進(jìn)行了一次,圖8給出了新系統(tǒng)調(diào)試的典型試驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出:在試驗(yàn)范圍內(nèi),隨著馬赫數(shù)增大,HB-2標(biāo)模的底壓系數(shù)逐漸增大,馬赫數(shù)之間的底壓系數(shù)差異逐漸減小,且同一馬赫數(shù)下,正負(fù)迎角的底壓系數(shù)對(duì)稱(chēng)性良好,表明新系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信,該系統(tǒng)可正式投入使用。Ma
=5穩(wěn)壓時(shí)間縮短至原來(lái)的1/
4,Ma
=8穩(wěn)壓時(shí)間縮短至原來(lái)的1/
3,新系統(tǒng)的底壓測(cè)值更接近真實(shí)值,數(shù)據(jù)可信度明顯提升。2)新系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,測(cè)量重復(fù)性精度高,可實(shí)現(xiàn)高馬赫數(shù)下的模型底壓精準(zhǔn)測(cè)量,Ma
=5和Ma
=8下的Cpb
重復(fù)性均方根誤差均優(yōu)于0.000 4,能較好滿足絕大部分試驗(yàn)需求。3)新系統(tǒng)可適用高溫環(huán)境,轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)少、密封效果好、拆裝方便,具備良好的可操作性和維護(hù)性,試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間明顯縮短。
4)新模型底壓精確測(cè)量方法具有較高的普適性,可用于大多數(shù)測(cè)力試驗(yàn),進(jìn)行工程化應(yīng)用。