郝歌揚(yáng) 楊鈺城 趙榮娟 呂小鵬 楊雅涵 吳國俊?

1) (中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西省海洋光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)

2) (中國空氣動力研究與發(fā)展中心,超高速空氣動力研究所,綿陽 621000)

3) (青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室,海洋觀測與探測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(西安光機(jī)所部分),青島 266200)

4) (中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

受限于計(jì)算流體力學(xué)方法的模型及計(jì)算量,地面風(fēng)洞模擬試驗(yàn)仍是現(xiàn)階段開展高超聲速過程研究的主要技術(shù)手段.本文針對高焓膨脹管/激波風(fēng)洞的自由流參數(shù)精細(xì)調(diào)控、安全穩(wěn)定運(yùn)行及有效試驗(yàn)時(shí)間提升等需求,利用光子多普勒測速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對不同驅(qū)動段壓力情況下,自由活塞運(yùn)動全程速度變化情況的連續(xù)跟蹤測量.驅(qū)動壓力為1.3 MPa 時(shí),活塞速度的數(shù)值仿真最高速度88.981 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度88.810 m/s,相對偏差為–0.19%;活塞驅(qū)動壓力為2.7 MPa 時(shí),活塞數(shù)值仿真最高速度125.100 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度123.843 m/s,相對偏差為–1.00%,為該風(fēng)洞的性能優(yōu)化及穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要數(shù)據(jù)支撐.

1 引言

可控速度為Ma=6—30 的高超聲速技術(shù)是未來航空航天及軍事領(lǐng)域發(fā)展的制高點(diǎn),對國家綜合國力、軍事戰(zhàn)略和國民經(jīng)濟(jì)等諸多領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)影響.中國、俄羅斯及美國是當(dāng)今世界高超聲速技術(shù)最先進(jìn)的三個(gè)國家.近年來,我國高超技術(shù)發(fā)展迅猛,成功研發(fā)鷹擊–21 等多型高超聲速導(dǎo)彈.俄羅斯在2022 年爆發(fā)的俄烏沖突中多次使用高超聲速導(dǎo)彈,標(biāo)志著高超聲速武器正式走入實(shí)戰(zhàn).美國長期以來高度重視高超技術(shù)發(fā)展,其政府問責(zé)局公開文件顯示,2015—2024 年間美國在高超領(lǐng)域投入近150 億美元,且從投資比例來看,逐漸由單點(diǎn)技術(shù)突破轉(zhuǎn)向整體裝備研發(fā)[1].相信隨著2022 年5 月14 日AGM-183 A 型高超聲速巡航導(dǎo)彈的試射成功,其將在高超領(lǐng)域獲得更多發(fā)展.因此在當(dāng)前復(fù)雜國際局勢以及全球高超聲速技術(shù)快速發(fā)展的背景下,我國應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)該領(lǐng)域投入,以保持絕對領(lǐng)先地位.

受限于湍流模型、轉(zhuǎn)捩模型及計(jì)算代價(jià)等因素,計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法還無法解決高超聲速飛行器的壁面摩擦阻力、氣動熱環(huán)境及流動分離等瓶頸問題[2],因此地面風(fēng)洞模擬試驗(yàn)仍是現(xiàn)階段深入分析及研究高超聲速過程的主要技術(shù)手段.高焓膨脹管/激波風(fēng)洞使用自由活塞驅(qū)動,可實(shí)現(xiàn)對超高速高焓流場的模擬,相比反射式激波風(fēng)洞能夠提供離解度更低的自由來流,飛行環(huán)境更接近真實(shí)情況[3],是進(jìn)行軌道再入高焓流動研究的重要試驗(yàn)平臺.目前全球主要高焓膨脹管/激波風(fēng)洞包括澳大利亞昆士蘭大學(xué)的X3 風(fēng)洞[4,5]、美國卡爾斯潘大學(xué)布法羅研究中心的LENS XX 風(fēng)洞[6,7]、中國航天空氣動力技術(shù)研究院的FD-21 風(fēng)洞[8]及中國空氣動力研究與發(fā)展中心(China aerodynamics research and development center,CARDC)的高焓膨脹管風(fēng)洞[9,10]等.

自由活塞是高焓膨脹管/激波風(fēng)洞的核心部件,掌握活塞的真實(shí)運(yùn)動速狀態(tài),能夠?yàn)楸Ｕ巷L(fēng)洞安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升風(fēng)洞試驗(yàn)性能及提高流場調(diào)控精度提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).另外,2014 年中國航天空氣動力技術(shù)研究院朱浩等[11]指出,通過優(yōu)化活塞運(yùn)動過程,尋找合適的活塞破膜速度,拓展風(fēng)洞定壓驅(qū)動時(shí)間,也是延長風(fēng)洞有效試驗(yàn)時(shí)間的主要途徑.因此,對自由活塞運(yùn)行速度的測量具有重要研究意義和實(shí)用價(jià)值.

1998 年,日本國家航空航天實(shí)驗(yàn)室Itoh 等[12]在角田研究中心的HEK 風(fēng)洞的驅(qū)動活塞表面,通過陽極氧化法形成了一系列間隔恒定、反射率起伏的區(qū)域.當(dāng)活塞通過風(fēng)洞外壁設(shè)置的激光照射器時(shí)會間歇收到反射信號,通過對反射信號時(shí)間間隔的測量實(shí)現(xiàn)了對活塞運(yùn)動速度的測量.2020 年,中國航天空氣動力技術(shù)研究院孫日明等[13]利用類似方法,在風(fēng)洞外壁等間隔設(shè)置一系列光纖傳感器以及壓力傳感器,通過測量活塞運(yùn)行時(shí)相鄰兩個(gè)傳感器壓力響應(yīng)所對應(yīng)的時(shí)刻,獲得兩個(gè)傳感器間活塞運(yùn)動的平均速度;在風(fēng)洞末端利用激光測距方法對活塞位移變化情況進(jìn)行測量,進(jìn)而通過微分獲得活塞運(yùn)動速度.

上述速度測量方法均屬于區(qū)間測速范疇,需獲取活塞通過連續(xù)兩個(gè)測速點(diǎn)時(shí)的相對距離和相對時(shí)間,進(jìn)而計(jì)算活塞的運(yùn)動速度,因此對距離和時(shí)間的測量誤差會累積并引入測速誤差,導(dǎo)致測量精度降低;另外由于傳感器尺寸或測距儀測量頻率限制,測點(diǎn)間距不可能過小,從而導(dǎo)致測量的時(shí)間分辨率降低.光子多普勒測速技術(shù)基于物體運(yùn)動所引起反射激光的多普勒效應(yīng),無需進(jìn)行微分計(jì)算,其測量值更接近瞬時(shí)速度,因此測量精度更高;同時(shí)由于使用連續(xù)激光測量,其時(shí)間分辨率僅由速度反演算法的時(shí)間窗長度決定,通?？蛇_(dá)到微秒量級甚至更窄,因此其可實(shí)現(xiàn)更高時(shí)間分辨率的速度測量,與上述測量方法相比具有明顯優(yōu)勢.

本文針對高焓膨脹管/激波風(fēng)洞自由活塞的速度測試需求,通過光子多普勒測速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對自由活塞運(yùn)動全程速度歷程的高精度、高分辨率跟蹤測量,連續(xù)測量距離超過20 m,最高測試速度超過120 m/s,最高時(shí)間分辨率可達(dá)納秒量級,為自由活塞的速度測量提供了全新思路和方法,為風(fēng)洞性能優(yōu)化及穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要數(shù)據(jù)支撐.

2 試驗(yàn)方案及裝置

2.1 測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所研制光子多普勒測速系統(tǒng)(photon Doppler velocimeter,PDV)基于激光多普勒效應(yīng),利用全光纖馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu),系統(tǒng)組成如圖1所示.系統(tǒng)工作時(shí),激光器(laser)輸出中心波長1550.012 nm 的窄線寬激光,線寬小于100 kHz,輸出功率為10 mW,光纖隔離器(isolator,ISO)抑制激光反向傳輸注入激光器;光纖耦合器1 (1550 nm 1×2 fiber optic coupler1,coupler1)的分光比為1∶99,將輸出激光分為兩束,其中99%的光信號注入光纖放大器(erbium doped fiber amplifier,EDFA),稱為測量光,最高功率可達(dá)1.8 W;剩余1%的光信號為本地參考光,在光路中設(shè)置一個(gè)可調(diào)衰減器,用于匹配兩光路的光信號強(qiáng)度,提高干涉信號強(qiáng)度,兩束光的振幅分別表示為

圖1 光子多普勒測速系統(tǒng)組成Fig.1.Structure of photon Doppler velocimeter.

其中,E1和E2表示復(fù)振幅,ω0表示激光角頻率,φ1和φ2表示相位.

光學(xué)天線將經(jīng)EDFA 放大的測量光進(jìn)行空間輸出,輸出光束在活塞內(nèi)表面發(fā)生反射后,重新被光學(xué)天線接收.隨后測量光經(jīng)過單模光纖環(huán)形器(circulator),與本地參考光在光纖耦合器2(coupler2)發(fā)生干涉,隨后被分為兩路,分別被平衡探測器(banlance detector)所接收,平衡探測器的輸出光電流信號可表示為[14]

其中,ωD表示由活塞表面返回,攜帶多普勒頻移的激光角頻率,φD表示返回激光的相位,α表示平衡探測器的光電轉(zhuǎn)換效率.

本系統(tǒng)選用的平衡探測器為索雷博PDB435 C-AC,帶寬為100 Hz—350 MHz.由于帶寬限制,(2)式中只有頻率為ωD–ω0的部分能被探測器響應(yīng),其余高頻部分及直流偏置將被有效濾除,即平衡探測器輸出光電流可簡化為

其中,B表示多普勒頻移所引起的光電流強(qiáng)度,激光角頻率ω與頻率f間的關(guān)系為ω=2πf,fD–f0表示多普勒頻移的大小,Δφ表示φ1和φ2相位差.

平衡探測器輸出信號被數(shù)據(jù)采集卡所接收后,上傳至上位機(jī)進(jìn)行速度反演,為提高對微弱信號的分辨能力,使用采樣率2×109s–1,量化深度14 bits,輸入電壓范圍±200 mV 的高速高精度數(shù)據(jù)采集卡(SP Devices ADQ14 DC-1 X).根據(jù)激光的多普勒效應(yīng),活塞運(yùn)動速度與激光干涉頻率間的關(guān)系為

其中,λ0表示激光波長.

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

CARDC 的高焓膨脹管風(fēng)洞由活塞驅(qū)動段、第二驅(qū)動段、被驅(qū)動段、加速度、噴管和試驗(yàn)段組成,其中活塞驅(qū)動段長度為22.5 m.自由活塞在驅(qū)動段高壓氣體驅(qū)動下壓縮管內(nèi)常溫輕質(zhì)氣體,經(jīng)過多次破膜及壓縮后速度和焓值顯著提高,產(chǎn)生超高速高焓自由流.為便于對活塞運(yùn)動速度進(jìn)行測量,風(fēng)洞端蓋上設(shè)置有光學(xué)觀察窗口,口徑?=40 mm,測速系統(tǒng)的光學(xué)天線安裝在風(fēng)洞端蓋的光學(xué)觀察窗口內(nèi),測速儀主機(jī)放置在風(fēng)洞一側(cè),兩者通過光纖進(jìn)行連接,現(xiàn)場安裝方式如圖2 所示.

圖2 PDV 系統(tǒng)在高焓膨脹管風(fēng)洞的安裝示意圖Fig.2.Installation diagram of PDV in high enthalpy expansion tunnel.

由于系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)采集時(shí)間與自由活塞的壓縮過程均在102ms 量級,因此為了準(zhǔn)確反映活塞運(yùn)動全程速度變化歷程,保證記錄數(shù)據(jù)完整性,精確的觸發(fā)時(shí)間至關(guān)重要.在前期系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,原計(jì)劃利用風(fēng)洞發(fā)射信號作為觸發(fā)源,當(dāng)系統(tǒng)收到風(fēng)洞發(fā)射信號后開始計(jì)時(shí),一定延遲時(shí)間后系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄;但通過調(diào)試發(fā)現(xiàn),由于驅(qū)動段充氣狀態(tài)不同,風(fēng)洞發(fā)射信號發(fā)出至自由活塞開始運(yùn)動之間的時(shí)間晃動可達(dá)數(shù)秒量級,完全無法為系統(tǒng)提供足夠精度的觸發(fā)時(shí)間.因此將觸發(fā)方式改為通過風(fēng)洞驅(qū)動段末端的壓力傳感器進(jìn)行觸發(fā),系統(tǒng)配合進(jìn)行負(fù)延時(shí)數(shù)據(jù)采集,即當(dāng)活塞在驅(qū)動段末端發(fā)生碰撞后,風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收壓力傳感器輸出,將其整型為標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā)信號后再輸入測速系統(tǒng).測速系統(tǒng)在觸發(fā)前數(shù)據(jù)循環(huán)覆蓋采集,觸發(fā)后可記錄前一時(shí)間段內(nèi)的探測數(shù)據(jù),該過程的延遲時(shí)間僅為納秒量級,因此可有效保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間覆蓋自由活塞的壓縮運(yùn)動全過程.

3 試驗(yàn)測試及結(jié)果

3.1 指標(biāo)檢測結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)測量效果,由中國計(jì)量科學(xué)研究院對系統(tǒng)測速精度進(jìn)行了檢測(證書編號: Lscs2019-2115),檢測原理如圖3 所示.

圖3 PDV 系統(tǒng)的測速精度檢測裝置Fig.3.Test device of measuring accuracy for PDV.

該裝置可通過轉(zhuǎn)動角速度生成標(biāo)準(zhǔn)線速度,其生成的標(biāo)準(zhǔn)線速度可表示為[14]

其中,n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測量,其測量范圍10—100000 r/min,不確定度為1×10–5(k=3);r表示轉(zhuǎn)盤中心至轉(zhuǎn)盤邊緣反射鏡的垂直距離,由激光測距儀進(jìn)行測量,且轉(zhuǎn)速及距離均采用多次測量取平均值以減小檢測誤差.由于該方法生成較高速度時(shí)存在較大安全隱患,因此主要針對40 m/s 以下速度范圍進(jìn)行了檢測,檢測結(jié)果見表1.可以看出,在40 m/s 以下速度段,所研制PDV 具有較高速度測量精度,測量誤差可控制在0.17 m/s 以內(nèi);同時(shí)系統(tǒng)最遠(yuǎn)測量距離達(dá)到26.3 m,具備對活塞運(yùn)動全程的速度測量能力.

表1 40 m/s 以下速度段速度測量誤差檢測結(jié)果Table 1.Test results of the measuring accuracy of PDV under 40 m/s.

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)在風(fēng)洞測試中的速度測量精度,首先對自由活塞的運(yùn)動速度進(jìn)行理論計(jì)算,計(jì)算模型如下.在壓縮段內(nèi),活塞的運(yùn)動動力學(xué)方程為

其中,xp,Vp,mp,Ap,FB,FF,Ff分別表示活塞質(zhì)心位置、質(zhì)心速度、質(zhì)量、端面面積、作用在活塞后端面的壓力、作用在活塞前端面的壓力、摩擦力.摩擦力的計(jì)算公式為

其中,Vtol=10–6m/s.最大摩擦力為

其中,uf和Aseal分別代表密封材料摩擦系數(shù)和密封圈有效面積.

風(fēng)洞試驗(yàn)共進(jìn)行2 次,自由活塞驅(qū)動壓力分別為1.3,2.7 MPa,活塞前端放置長度1269 mm 的限位筒,活塞自身長度為1026 mm,即活塞的運(yùn)動起始位置位于驅(qū)動段前端約2 m 處.試驗(yàn)中設(shè)置激光功率為1.8 W、數(shù)據(jù)采集卡采樣率2×109s–1.現(xiàn)場試驗(yàn)中,由于活塞運(yùn)動所引起的多普勒頻率較高,時(shí)域波形已無法明顯辨析信號頻率,因此采用自研速度反演算法對活塞運(yùn)動速度進(jìn)行解算[15,16].該算法基于短時(shí)傅里葉變換算法構(gòu)建,通過時(shí)間窗函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,得到該時(shí)間窗內(nèi)的頻譜峰值,則該時(shí)間窗內(nèi)的瞬時(shí)速度可表示為

其中,λ0表示激光波長,fmax表示時(shí)間窗內(nèi)的頻譜峰值.與傳統(tǒng)短時(shí)傅里葉變換算法不同的是,本算法針對活塞運(yùn)動起始時(shí)刻未知、加速度變化大的特點(diǎn),設(shè)置了自動運(yùn)動起點(diǎn)定位功能及自適應(yīng)時(shí)間窗變換功能,提高對信號的時(shí)間分辨率和測量精度,理論計(jì)算及實(shí)測速度結(jié)果如圖4 所示.

由圖4 可知,在自由活塞驅(qū)動壓力為1.3 MPa狀態(tài)下,其數(shù)值仿真最高速度為88.981 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度為88.810 m/s,相對偏差為–0.19%;在活塞驅(qū)動壓力為2.7 MPa 狀態(tài)下,其數(shù)值仿真最高速度125.10 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度123.843 m/s,相對偏差–1.00%;另外在活塞運(yùn)動過程中,實(shí)測速度與理論仿真速度具有極高的吻合性,因此證明了自研PDV 及速度反演算法具有極高的測量精度和較長的連續(xù)測量距離,基本實(shí)現(xiàn)了對高焓膨脹管風(fēng)洞內(nèi)自由活塞運(yùn)動全程速度變化情況的連續(xù)跟蹤測量.值得說明的是,雖然對活塞速度的理論計(jì)算已能夠較好地反映活塞的真實(shí)運(yùn)動狀態(tài),但對活塞速度的實(shí)際測量仍具有十分重要的實(shí)用價(jià)值.第一,當(dāng)活塞驅(qū)動段的驅(qū)動氣體組分、壓力及膜片材料、厚度等參數(shù)改變時(shí),對活塞速度的實(shí)際測量結(jié)果可作為驗(yàn)證理論模型正確性及修正理論模型的重要依據(jù);第二,活塞尾部的減震橡膠會與風(fēng)洞壁面產(chǎn)生劇烈摩擦損耗并隨著使用時(shí)間增加而老化.通過對活塞速度的實(shí)際測量可實(shí)現(xiàn)對活塞狀態(tài)的監(jiān)控,可對由于減震橡膠磨損及老化造成的運(yùn)動狀態(tài)改變提前預(yù)警,從而保障風(fēng)洞安全運(yùn)行.

圖4 不同驅(qū)動壓力下自由活塞的運(yùn)動速度測量結(jié)果 (a) 驅(qū)動壓力為1.3 MPa;(b) 驅(qū)動壓力為2.7 MPaFig.4.Measurement results of the motion velocity of the free piston under different driving pressures: (a) Driving pressure is 1.3 MPa;(b) driving pressure is 2.7 MPa.

為進(jìn)一步分析自由活塞在驅(qū)動段內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài),對圖4 實(shí)際測量得到的時(shí)間-速度曲線進(jìn)行積分,獲取了活塞速度與位移的對應(yīng)關(guān)系,如圖5所示.可以看出,速度極大值點(diǎn)出現(xiàn)在16.5 m 左右位置,由于活塞的運(yùn)動起始位置位于驅(qū)動段前端約2 m 處,因此可認(rèn)為活塞在開始運(yùn)行后約220 ms,距離驅(qū)動段前端約18.5 m 位置速度達(dá)到最大值,隨后開始急劇減速,與驅(qū)動段末端發(fā)生碰撞后停止.

圖5 不同驅(qū)動壓力下自由活塞的運(yùn)動位移-速度變化曲線Fig.5.Distance-velocity curve of piston with the different driving pressure.

通過對驅(qū)動速度測量及對位移的分析可以看出,自由活塞在高焓膨脹管風(fēng)洞的運(yùn)行末段,在前端驅(qū)動壓力和后端生成壓縮波的共同作用下,活塞在未發(fā)生撞擊時(shí)即達(dá)到了最大速度,隨后快速減速.因此,一定程度上證明了20 世紀(jì)60 年代Stalker[17]提出的活塞軟著陸思想是切實(shí)可行的,即活塞可以在破膜后以一定速度進(jìn)行定壓驅(qū)動,在不發(fā)生碰撞的情況下柔軟地停在壓縮管末端.但在實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)中,還需要通過優(yōu)化膜片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、調(diào)整驅(qū)動氣流組分及壓力等措施,提高對活塞驅(qū)動氣體的調(diào)控精度,以達(dá)到最佳活塞破膜速度,全面提升風(fēng)洞的試驗(yàn)性能.

4 分析與討論

由表1 可以看出,所研制光子多普勒測速系統(tǒng)的最遠(yuǎn)測量距離可達(dá)到26.3 m,而高焓膨脹管風(fēng)洞內(nèi)自由活塞的運(yùn)動全過程僅為20.5 m,理論上系統(tǒng)不僅能獲取自由活塞的最高速度,且應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對撞擊速度的測量.但由圖4 可以看出,當(dāng)活塞開始減速后,系統(tǒng)獲取的有效測速點(diǎn)逐漸減少,未能實(shí)現(xiàn)對活塞撞擊速度的有效測量.且在圖4(b)中約0.07—0.08 s 出現(xiàn)部分測速點(diǎn)的偏差,造成了運(yùn)動曲線的不連續(xù).為對上述兩個(gè)問題進(jìn)一步分析,首先對1.3,2.7 MPa 及無驅(qū)動氣體情況下不同距離處接收信號相對強(qiáng)度進(jìn)行了對比,如圖6 所示.

圖6 不同驅(qū)動壓力下相對回波強(qiáng)度變化Fig.6.Relative signal intensity with the different driving pressure.

系統(tǒng)光學(xué)天線的發(fā)射光束設(shè)計(jì)為高斯結(jié)構(gòu),束腰位置位于21 m 處.根據(jù)空間-光纖耦合理論,束腰位置處的回波強(qiáng)度最大,其他位置的接收強(qiáng)度關(guān)于束腰位置呈對稱分布,圖6 中無驅(qū)動氣體情況下的實(shí)測信號回波強(qiáng)度曲線(黑色實(shí)線)與理論分析基本符合.但當(dāng)系統(tǒng)在風(fēng)洞使用時(shí),由于驅(qū)動氣體的存在,發(fā)射光束束腰位置發(fā)生明顯前移,且隨著驅(qū)動壓力的增加,移動量逐漸增大;其中驅(qū)動壓力為1.3 MPa 時(shí)束腰位置約在10 m 處(藍(lán)色點(diǎn)線),驅(qū)動壓力為2.7 MPa 時(shí)束腰位置約在9 m 處(紅色劃線).據(jù)此認(rèn)為系統(tǒng)未測得活塞撞擊速度的原因可能為以下兩點(diǎn):

1)強(qiáng)烈的驅(qū)動氣流導(dǎo)致光學(xué)天線發(fā)射光束的光斑產(chǎn)生擴(kuò)散,使原光束的束腰位置前移,因此有效測量距離無法覆蓋活塞運(yùn)動最末端;

2)強(qiáng)烈的驅(qū)動氣流對發(fā)射光束存在強(qiáng)散射,導(dǎo)致活塞運(yùn)動末端的接收信號強(qiáng)度急劇降低,已無法滿足速度反演算法所需的最低信噪比要求,因此無法實(shí)現(xiàn)對撞擊速度的有效測量.

隨后對圖4(b)中0.07 s 與0.10 s 對應(yīng)測點(diǎn)的信號頻譜與圖4(a)中相應(yīng)測量速度值所對應(yīng)測點(diǎn)的信號頻譜進(jìn)行了對比,如圖7 所示.由圖7(a)可以看出,當(dāng)驅(qū)動壓力為1.3 MPa 時(shí),回波信號頻譜有明顯峰值(對應(yīng)速度13.90 m/s);但驅(qū)動壓力增大至2.7 MPa 時(shí),回波信號極弱,已無明顯頻譜峰值;由圖7(b)可以看出,不同驅(qū)動壓力下均有明顯的頻譜峰值(對應(yīng)速度34.41 m/s),但驅(qū)動壓力為2.7 MPa 時(shí)的頻譜峰值強(qiáng)度與1.3 MPa 時(shí)的頻譜峰值強(qiáng)度相比降低了約30 dB.同時(shí)對比圖7(a),(b)可以看出,驅(qū)動壓力為1.3 MPa,速度為34.41 m/s時(shí)的頻譜峰值強(qiáng)度與速度為13.90 m/s 時(shí)的頻譜峰值相比提高了約10 dB.據(jù)此認(rèn)為造成圖4(b)約0.07—0.08 s 運(yùn)動曲線的不連續(xù)的原因可能為:驅(qū)動活塞通過其后端沿風(fēng)洞管壁徑向布置的多個(gè)噴氣口噴射氣流共同驅(qū)動,在活塞剛開始運(yùn)動時(shí),強(qiáng)烈的氣流混合在測量光路上形成了十分紊亂的流場,嚴(yán)重降低回波信號強(qiáng)度.當(dāng)驅(qū)動氣流壓力為2.7 MPa 時(shí),回波信號已完全無法被系統(tǒng)所接收,因此在活塞剛開始運(yùn)動的一定時(shí)間內(nèi)速度測量值出現(xiàn)了較大偏差.隨著活塞繼續(xù)向前運(yùn)動,流場趨于穩(wěn)定,回波信號強(qiáng)度逐漸增加,測量恢復(fù)正常.

圖7 不同驅(qū)動壓力下相同速度點(diǎn)的干涉信號頻譜分布圖(a) 速度為13.90 m/s;(b) 速度為34.41 m/sFig.7.Frequency spectrum at the same velocity and the different driving pressure: (a) Velocity is 13.90 m/s;(b) velocity is 34.41 m/s.

5 結(jié)論

針對高焓膨脹管/激波風(fēng)洞自由流參數(shù)精細(xì)調(diào)控、安全穩(wěn)定運(yùn)行及有效試驗(yàn)時(shí)間提升等需求,研制了一套光子多普勒測速系統(tǒng).該系統(tǒng)基于激光多普勒效應(yīng),利用全光纖馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu),光學(xué)天線與測速儀主機(jī)采用分體式設(shè)計(jì);其中光學(xué)天線安裝在風(fēng)洞端蓋的光學(xué)觀察窗口內(nèi),測速儀主機(jī)放置在風(fēng)洞一側(cè),兩者通過光纖連接.

通過對該系統(tǒng)40 m/s 以下速度段的測速精度及探測距離進(jìn)行檢測,其測量誤差可以控制在0.17 m/s 以內(nèi),連續(xù)測量距離可達(dá)到26.3 m.在風(fēng)洞現(xiàn)場試驗(yàn)中,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對不同驅(qū)動壓力下活塞運(yùn)動全程速度的連續(xù)跟蹤測量,其中驅(qū)動壓力為1.3 MPa時(shí),活塞速度的數(shù)值仿真最高速度88.981 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度88.810 m/s,相對偏差是–0.19%;活塞驅(qū)動壓力為2.7 MPa 時(shí),活塞數(shù)值仿真最高速度125.100 m/s,實(shí)測最高運(yùn)動速度123.843 m/s,相對偏差為–1.00%.試驗(yàn)結(jié)果證明,光子多普勒測速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對高焓膨脹管風(fēng)洞內(nèi)自由活塞運(yùn)動速度的連續(xù)跟蹤測量,為該風(fēng)洞的性能優(yōu)化及穩(wěn)定運(yùn)行提供重要數(shù)據(jù)支撐.