近空间飞行器复杂区域热流高精度测量研究

With the development of the near space aerocraft, the aerothermology encounters a series of impending complex problems on the aerothermal transimission, so that a sort of technique which could measure the whole flow field with high precision is urgently required to be developed to solve those problems. Phosphor Thermology Technique (PTT) is one revolutionary development in the aerothermal investigation of the near space aerocraft. This work will continue to study the application of the PTT in the wind tunnel, at the same time, to develop the two-color phosphor luminescence material, to construct the two-color phosphor system for heat transfer measurement, to improve the image/data processing programs, and will finally integrate a test platform for the high precision whole surface thermal environment measurement. The model of complex region on the near space aerocraft will be manufactured, the experiment with PTT in the wind tunnel will give out the detailed analysis and the exact prediction method on the thermal environment parameters of the characteristic region on the near space hypersonic long-distance aerocraft will be developed.

随着近空间飞行器的发展，气动热力学正在面临一系列亟待解决的气动传热问题,迫切需要发展一种全场高精度精确测量技术，来解决这些学科研究中面临的复杂传热问题。磷光热图技术为近空间飞行器气动热研究带来了革命性的发展。本项目将继续研究磷光热图技术在风洞中的应用，同时进行双色磷光发光材料的研发和双色磷光测热系统的建立，进一步完善图像/数据处理程序，实现模型多方位同步测量，最终形成完备的高精度全表面热环境测量平台。完成近空间飞行器复杂区域模型的加工以及磷光热图风洞实验，得出具体的分析报告，为发展近空间高超声速远程飞行器特征区域的热环境参量的准确预测方法。

本项目针对近空间复杂外形飞行器在地面风洞试验中遇到的的热环境大面积、高精度测量的难题，开展基于脉冲风洞热流非接触、面测量技术研究，即磷光热图技术研究，为高超声速飞行器的热环境精确预测以及热防护设计提供可靠的数据支撑。磷光热图技术利用稀土发光材料的温敏特性，将由气动加热导致的模型表面温度变化通过温敏发光材料转化为光强变化，使用高性能光学采集设备记录模型表面温敏发光涂层的光强变化，利用已知的温敏涂层光强-温度关系，将光强分布换算为温度分布，最终获得模型表面热流分布。.基于以上原理，本项研究的主要内容包括：单/双色磷光发光材料及涂层制备技术研究；脉冲风洞磷光热图系统研究（控制系统、光路系统）；高精度图像处理技术研究；陶瓷模型成型工艺研究；脉冲风洞磷光热图验证试验（球头、平板-凸起物、复杂外形飞行器）；常规高超声速风洞磷光热图技术验证试验（平板三角翼）。.通过本项研究，建立了脉冲风洞、常规高超声速风洞通用的磷光热图技术、实现了复杂外形陶瓷模型加工的工艺突破、发明了高性能磷光发光材料。试验结果表明，磷光热图技术中心线热流重复性误差小于8%，达到国际先进水平，磷光热图技术可用于边界层转捩、激波/边界层干扰、流动控制等多个技术领域的热环境试验研究。.热图技术作为一种光学测热方法，相比于传统测热方式，具有非接触全场测量、测温范围广、可重复使用等优势。可单次试验获得模型整体热流分布并以全场云图的形式直观呈现，结合其高精度、高可靠性的特点，可实现高超声速风洞热环境试验数据的高精度获取，实现了测热技术的跨越式发展。