大尺度模型高超声速气动力的新型分立悬挂式测量方法

For hypersonic and high temperature gas dynamics, aerodynamic force measurement experiments for large scale models become a tendency. This project is going to proposing a new method for hypersonic aerodynamic force measurement of large scale models with discrete suspension. By this method, space bar system is applied to support the model to strengthen the both stiffness and specific stiffness, and the disturbance to the flow field can be lowered because the dimension of suspension system is much smaller than that of traditional method. And the system sensitivity can be improved by the optimization of stiffness distribution. Furtherly, the mutual interference among components of the force measuring system can be reduced by applying several individual single component balances instead of an integrated balance. This project intends to establish the theoretical bases for the new method, including the static calibration, dynamic force measurement, and optimization of stiffness distribution, with the corresponding key technologies verificated and validated by experiments and numerical simulations. The aim of this project is to establish a new discrete suspension aerodynamic measurement technology, and to evaluate its performance and test capability, and to break through the technical bottleneck of large-scale model aerodynamic experiments under hypersonic and high temperature gas effects.

复现高超声速、高温气体效应研究须开展大尺度飞行器模型气动力实验，本项目针对性地提出新型分立悬挂式气动力测量方法：通过空间杆系实现多点支撑，提高系统刚度和比刚度，并降低支撑结构对实验模型周围流场的干扰；通过调整支撑结构优化调节系统刚度的分布，提高系统的灵敏度；通过多个单分量天平取代传统集成式天平，降低测力系统各分量相互干扰。本项目拟研究建立新方法的静态校准、动态测力、刚度优化分配等方面的理论，并通过实验和数值模拟分别建立和验证相应的关键技术，旨在建立一套新型的分立悬挂式气动力测量技术，整体评估其性能指标和测试能力，突破高超声速、高温气体效应条件下大尺度模型气动力实验的技术瓶颈。

“大尺度模型高超声速气动力的新型分立悬挂式测量方法”（11872066）获得国家自然基金面上项目资助于2019年1月正式启动。该项目针对研究目标及关键科学问题部署，完成相关研究内容：.1. 提出分立悬挂空间多点支撑测力方法的静态测力的基本模型和静力平衡理论，奠定了新型测力方法的基本框架；.2. 建立分立悬挂测力系统及其静态校准系统，并在风洞实验舱外完成1:1实验验证，结合静态校准数据对测力系统进行优化，静态下测量误差小于2%，系统线性化程度超过0.996，验验证测力理论模型的有效性；.3. 开展新新型测力方法的空间杆系对实验模型局部流场干扰研究，为空间杆系对流场局部结构和气动力测量的干扰进行了定性和定量的评估，并进一步改进和优化实验方案，确保测量精度；.4. 提出新型测力方法的刚度、灵敏度调节和优化的理论，为杆系方案设计提供快速、直接的解析公式，可调参数达到5~6个，刚度调节灵活，为分立悬挂空间杆系结构设计和测力具体实施方案提供了指导依据；.5. 提出新方法的动态测力的基本模型和理论解，通过多自由度系统振动方程的理论求解，建立杆内力与气动力的对应关系和解析表达式，取代传统的静态校准获取系数矩阵的方法，构成动态测力的基础，系国际首次；.6. 开展新型测力方法的JF-12复现风洞实验验证，采用HB2标模（398kg、2.94m）、飞行器带动力一体化模型（790kg、4.2m）进行气动力实验，验证测力方法有效性及技术优势，并在XX项目保障2m量级模型的气动力测量需求。.团队主要成员先后发表期刊论文6篇（其中SCI收录5篇），发表国际会议论文4篇，发表国内会议论文10余篇，获得国家发明专利授权3项。项目执行期间，培养博士生1人、硕士生3人，在读研究生5人，在站博士后1人；项目团队成员多人次获得各种人才项目和奖励；积极开展国内外学术交流，以及相关科普宣传和展示。