超大型激波风洞测力受振动干扰的理论模型研究和实验验证

For super-large shock tunnel, the vibration of dynamometry system interferes the measurement of aerodynamic forces. Since the effective test time is very short and at the same order of the vibration period, the measuring process of aerodynamic forces represents as a dynamic process. The wind-tunnel balance just measures the internal forces, which are generated by the relative motion or tendency of relative motion between vehicle model and supporting construction. The internal forces can be considered as the superposition of aerodynamic forces and inertia forces, which makes the data of wind-tunnel balance distinguished from the aerodynamic forces. Against the background of super-large shock tunnel, this program sets the investigation content from four aspects, such as modeling of impact load formed in wind tunnel starting progress, regularity of vibration modes excited by impact load of different styles, model of interference of vibration modes to measurement of aerodynamic forces, and criterion and method for recognizing the vibration interferences. Theoretical model can be set up by solving the governing equations theoretically, which can be verified by solving governing equation numerically. The validation and modification to the theoretical model will be carried out by experimental measurement of aerodynamic forces of large-scale pointed cone, which makes the model, criterion and method promoted to the engineering applications.

超大型激波风洞测力过程受到测力系统振动的干扰，有效实验时间与系统的振动周期可比，测力过程表现为动态测量过程，天平感知的力的各个分量区是飞行模型与支承结构的相对运动或相对运动趋势导致的内力，是模型承受的气动力分量与惯性力的叠加，在本质上区别于气动力。本项目以超大型激波风洞为背景，分别针对风洞起动过程形成冲击载荷作用模型、不同类型冲击载荷激励不同振型的规律、不同振型对气动力测量的干扰模型、测力过程中干扰量剥离的判据和方法四个方面内容，通过控制方程的理论求解建立相应的理论模型，并通过数值求解验证理论求解过程，最终通过大尺度尖锥标模实验验证和修正理论模型,将相关理论模型、剥离判据和方法推向工程应用。

“超大型激波风洞测力受振动干扰的理论模型研究和实验验证”获得国家自然科学基金面上项目支持，于2015年1月正式启动。本项目结合理论求解、数值模拟和实验验证，有序安排各项工作按照计划顺利开展，并达到目标要求，具体内容和成果如下：.（1）喷管起动过程中形成不同冲击载荷作用模型，包括喷管起动过程波系衍化、尖锥气动标模气动力历程及特性、冲击载荷时间尺度估算、非稳态段激励频率特性、冲击载荷解析化、测力系统强迫振动理论解、冲击载荷建模以及简化；.（2）不同冲击载荷作用激励测力系统不同振型的规律，包括简谐载荷作用下模型振动特性、脉冲δ载荷作用下模型振动特性和单个矩形脉冲作用下模型振动理论分析；.（3）不同振型对气动力各分量测量的干扰模型，包括简谐载荷作用下俯仰力矩干扰量、简谐载荷作用下法向力干扰量、简谐载荷作用下模型振动数值模拟验证、脉冲δ载荷作用下俯仰力矩干扰量、脉冲δ载荷作用下法向力干扰量、单个矩形脉冲作用下俯仰力矩干扰量、单个矩形脉冲作用下法向力干扰量、单个矩形脉冲作用下模型振动数值模拟验证、载荷类型对气动力干扰量影响、载荷作用位置对气动力干扰量影响和载荷作用时间对振动特性影响；.（4）振动干扰量的剥离判据和方法，包括振动信号剥离方法及依据讨论、轴向振动及扭转振动对测力影响分析、HB2标准模型气动力实验、支杆-钝头体模型减阻实验和钝头体模型高温气体效应实验。.项目执行期间，研究团队先后发表SCI论文4篇、EI论文2篇、国际会议论文4篇、国内会议论文7篇，并申请国家发明专利4项，培养博士研究生2人，项目负责人韩桂来作为主要完成人之一获得中国科学院“杰出科技成就奖”；同时，在该项目的基础上，研究团队进一步凝练科学问题和技术瓶颈，针对大尺度模型高超声速气动力测量提出了新型分立悬挂式气动力测量方法，获得了国家自然科学基金面上项目支持（2019.01-2022.12）。