基于恒压式热膜探头的高超声速流场测量关键技术研究

热式风速仪因其突出的动态特性和边界探测能力而成为高超声速流场实验研究颇具前途的测试工具之一，特别适于高超声速边界层湍流特性研究。目前国内外使用的风速仪一般采用恒温式热线探头，适合用于300m/s 以下流速。本项目采用恒压式热膜探头，既保证高超声速流场中的耐用性，又具有平坦宽频动态特性。根据传热学原理采用建模技术对热膜和衬底的选材、探头几何构型进行优化设计，研究适用于高超声速流场测量的热膜探头；为满足高超声速流场的高频动态测量要求，对热膜探头采取恒压控制方式，控制电路中采用低噪声宽频带放大器和宽带补偿网络，通过电路仿真和频率特性测试实现控制电路的优化设计；在高超声速风洞环境下开展恒压式热膜探头测量系统的标定和验证试验，研究热膜探头动态时间常数的原位测量和基于人工神经网络的热膜探头自动校准方法，以提高实际测量应用的效率。最终实现马赫数6左右的流速测量系统，为高超声速推进技术研究奠定基础。

热式风速仪因其突出的动态特性、连续测量能力、良好的边界探测能力以及易于使用性，而成为高超声速流场实验研究颇具前途的测试工具之一。本项目以高超声速边界层湍流特性测试为研究目标，开展高性能热式风速仪的关键基础技术研究。主要开展了5个方面的研究工作：.（1）热线-热膜探头建模与分析研究。根据热平衡工作原理，针对不同尺寸和构型的热线、热膜探头进行了数学建模和仿真分析，建立了热线探头的集总式和分布式动静态数学模型，进一步对楔型热膜探头的热膜、Pad和衬底等进行热网格划分和热量平衡分析，获得了流过热膜的电流与流场物性参数的关系式。.（2）热线-热膜探头制备技术研究。在热线探头制备方面，分别尝试了锡焊和电弧焊接方式，其中电弧焊接相对可靠；在热膜探头制备方面，采用物理沉积蒸发镀方法分别进行了石英纤维和石英棒热膜探头的试制，通过所设计的模具，依次在石英表面镀上镍膜、铜膜和二氧化硅保护层，从而形成热膜敏感元件，实验证明所制备的热膜探头能用于风速测量，但制备工艺有待完善。.（3）探头控制电路设计研究。分别对CTA和CVA控制电路进行了建模分析和优化设计。在CTA控制电路方面，提出了基于热线工作过热比-运算放大器增益-惠斯通桥路电阻的CTA系统稳定判据，提出了基于偏置电压的CTA系统稳定性控制方法，提出了基于偏置电压的CTA系统动态特性调节控制方法，实验验证了所提方法的有效性。在CVA控制电路方面，设计了时间常数的原位测量电路和T型桥补偿电路以提高CVA系统的动态频响。.（4）热式风速仪校准技术研究。设计了马赫数1~7可调超声速喷管，建立了流速范围从0.1m/s到超声速的风速仪校准实验台，进行了全范围的静态流场标定试验，校核结果满足设计要求。.（5）热式风速仪测量系统试制。分别试制了CTA和CVA测量系统，其中基于参数优化配置的CTA系统在保证稳定性前提下，具有良好的动态调节特性，动态频响可达到24.42KHz，在0~300 m/s范围内的测量误差可以控制在2%以内。CVA测量系统采取便携式设计思想，在测量性能方面相对于当前商用风速仪具有显著优势。