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1、航空學報Mar．252016V01．37No．3810-816AcfaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn爆轟驅動膨脹管性能研究周凱，汪球*，胡宗民，姜宗林中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京100190摘要：超高速流動一般指速度超過5km／s的流動，由于流動具有高焓高速的特點，模擬超高速流動的地面試驗設備面臨極大挑戰(zhàn)。膨脹管(風洞)是少數(shù)幾種具備超高速流動模擬能力的地面試驗設備之
2、一。中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室(LHD)通過將正向爆轟驅動技術和膨脹管結合在一起，建成了可實現(xiàn)最高速度10km／s超高速試驗氣流的爆轟驅動膨脹管(IF-16)，并開展了典型模型試驗。在此基礎上對JF-16進行了改造升級工作，為其設計噴管增加了膨脹風洞運行模式，對其性能進行了相關試驗測試研究。同時，對膨脹管相關數(shù)值方法進行了介紹，并開展數(shù)值模擬對試驗狀態(tài)進行輔助診斷和分析。關鍵詞：超高速；爆轟驅動；膨脹管；性能研究；試驗測試；數(shù)值模擬中圖分類號：V211．751文獻標識碼：A文章編號：1000—6893(2016)03—0810
3、—07進入21世紀，人們對太空探測(探月、火星探測)和星際旅行的興趣日益提升，這對飛行器的飛行速度提出越來越高的要求。例如美國的航天飛機從地球近地軌道再人大氣層時，速度高達8．5km／s[1J；阿波羅飛船登月后返回地球大氣層時，再入速度則高達11．2km／s。超高速飛行一般指速度超過5km／s的飛行，因其飛行馬赫數(shù)很高，飛行器的頭部形成強烈的弓形激波，激波后的空氣將被加熱到幾千甚至上萬攝氏度，高溫下空氣發(fā)生了振動激發(fā)、離解甚至電離，即所謂的高溫真實氣體效應。這種效應也會對飛行器氣動特性產(chǎn)生影響，因此成為各航天計劃研究的重要組成部分。由于飛行試驗成本
4、較高，大量的氣動試驗研究還是在地面模擬設備中完成，而為了模擬飛行器高速飛行時所遇到的高溫真實氣體效應，地面試驗研究又極大地依賴于能模擬再人速度的高焓氣動設備心3(如高焓激波風洞、膨脹管等)。地面高焓試驗設備中，反射型激波風洞可以產(chǎn)生高焓流動，但是在模擬超高速流動環(huán)境，特別是近軌道速度或超軌道速度時，需要試驗氣流的總焓高達35MJ／kg以上，而反射型激波風洞的能力一般約為25MJ／kg，難以勝任，因此需要新型的工作原理不同的試驗設備來滿足超高速流動模擬要求。膨脹管／風洞技術可以在一定程度上解決上述問題，它通過去除反射型激波風洞的駐室，在激波管下游串聯(lián)
5、一個等截面的膨脹加速段(初始壓力較低)，通過主激波波后氣體的非定常膨脹使試驗氣流進一步加速，降低氣流溫度的同時得到更高的速度和總焓，這種現(xiàn)象被稱為焓的倍增[3]。在膨脹加速段，主激波后氣流不需滯止，其能量可以通過上述非定常膨脹過程直接轉移到膨脹波后的試驗氣流，避免了反射型激波風洞在駐室內(nèi)發(fā)生的氣體解離、噴管非平衡膨脹以及喉道材料燒蝕等問題，試驗氣流更接近于真實飛行參數(shù)¨巧j。收稿El期：2015—04．03；退修日期：2015．04—20；錄用日期：2015—05·08；網(wǎng)絡出版時間：2015-05—1411：05網(wǎng)絡出版地址：WWW．cnkine
6、t／kcms／detail／111929．V．201505141105．002html基金項目：國家自然科學基金(90916028，11402275)*通訊作者．Tel．：010-82543845E-mail：wangqiu@imech．a(chǎn)c．cn戮用格武
7、周覬，汪球．胡宗琵，等爆轟驅動夠張管性能研究￡J]．航空學報，2016．37(3)：810·816．ZHOUK。WANGQ，HUZM·eta1．Performancestudyofadetonation-drivenexpansian“oefJ]．ActaAeronaut^caetAstrona
8、uticaS／n／ca，2016，37(3)j810-816周凱，等：爆轟驅動膨脹管性能研究世界上的膨脹管設備及相關研究主要集中在美國，如通用應用科學實驗室(GASL)的HY—PULSE膨脹管[6]，卡爾斯本大學巴法羅研究中心(CUBRC)的LEN—X、LENS—XX膨脹管[7]，斯坦福大學的膨脹管[8]等，其他主要有澳大利亞昆士蘭大學的RHYFL—X系列膨脹管和日本的JX一1膨脹管。中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室(LHD)在2008年建成了爆轟驅動膨脹管JF一16，并通過典型模型試驗對流場進行了初步診斷與流場顯示研究[9。2
9、。
10、目前，JF一16已實現(xiàn)了最高速度為10．2km／s的高焓試驗氣流，為超高速流動的相關物理問題研究提供了基礎支撐條件。JF一
