爆轰驱动膨胀管性能研究

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1、航空学报Mar．252016V01．37No．3810-816AcfaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn爆轰驱动膨胀管性能研究周凯，汪球*，胡宗民，姜宗林中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室，北京100190摘要：超高速流动一般指速度超过5km／s的流动，由于流动具有高焓高速的特点，模拟超高速流动的地面试验设备面临极大挑战。膨胀管(风洞)是少数几种具备超高速流动模拟能力的地面试验设备之

2、一。中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室(LHD)通过将正向爆轰驱动技术和膨胀管结合在一起，建成了可实现最高速度10km／s超高速试验气流的爆轰驱动膨胀管(IF-16)，并开展了典型模型试验。在此基础上对JF-16进行了改造升级工作，为其设计喷管增加了膨胀风洞运行模式，对其性能进行了相关试验测试研究。同时，对膨胀管相关数值方法进行了介绍，并开展数值模拟对试验状态进行辅助诊断和分析。关键词：超高速；爆轰驱动；膨胀管；性能研究；试验测试；数值模拟中图分类号：V211．751文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)03—0810

3、—07进入21世纪，人们对太空探测(探月、火星探测)和星际旅行的兴趣日益提升，这对飞行器的飞行速度提出越来越高的要求。例如美国的航天飞机从地球近地轨道再人大气层时，速度高达8．5km／s[1J；阿波罗飞船登月后返回地球大气层时，再入速度则高达11．2km／s。超高速飞行一般指速度超过5km／s的飞行，因其飞行马赫数很高，飞行器的头部形成强烈的弓形激波，激波后的空气将被加热到几千甚至上万摄氏度，高温下空气发生了振动激发、离解甚至电离，即所谓的高温真实气体效应。这种效应也会对飞行器气动特性产生影响，因此成为各航天计划研究的重要组成部分。由于飞行试验成本

4、较高，大量的气动试验研究还是在地面模拟设备中完成，而为了模拟飞行器高速飞行时所遇到的高温真实气体效应，地面试验研究又极大地依赖于能模拟再人速度的高焓气动设备心3(如高焓激波风洞、膨胀管等)。地面高焓试验设备中，反射型激波风洞可以产生高焓流动，但是在模拟超高速流动环境，特别是近轨道速度或超轨道速度时，需要试验气流的总焓高达35MJ／kg以上，而反射型激波风洞的能力一般约为25MJ／kg，难以胜任，因此需要新型的工作原理不同的试验设备来满足超高速流动模拟要求。膨胀管／风洞技术可以在一定程度上解决上述问题，它通过去除反射型激波风洞的驻室，在激波管下游串联

5、一个等截面的膨胀加速段(初始压力较低)，通过主激波波后气体的非定常膨胀使试验气流进一步加速，降低气流温度的同时得到更高的速度和总焓，这种现象被称为焓的倍增[3]。在膨胀加速段，主激波后气流不需滞止，其能量可以通过上述非定常膨胀过程直接转移到膨胀波后的试验气流，避免了反射型激波风洞在驻室内发生的气体解离、喷管非平衡膨胀以及喉道材料烧蚀等问题，试验气流更接近于真实飞行参数¨巧j。收稿El期：2015—04．03；退修日期：2015．04—20；录用日期：2015—05·08；网络出版时间：2015-05—1411：05网络出版地址：WWW．cnkine

6、t／kcms／detail／111929．V．201505141105．002html基金项目：国家自然科学基金(90916028，11402275)*通讯作者．Tel．：010-82543845E-mail：wangqiu@imech．ac．cn戮用格武

7、周觊，汪球．胡宗琵，等爆轰驱动够张管性能研究￡J]．航空学报，2016．37(3)：810·816．ZHOUK。WANGQ，HUZM·eta1．Performancestudyofadetonation-drivenexpansian“oefJ]．ActaAeronaut^caetAstrona

8、uticaS／n／ca，2016，37(3)j810-816周凯，等：爆轰驱动膨胀管性能研究世界上的膨胀管设备及相关研究主要集中在美国，如通用应用科学实验室(GASL)的HY—PULSE膨胀管[6]，卡尔斯本大学巴法罗研究中心(CUBRC)的LEN—X、LENS—XX膨胀管[7]，斯坦福大学的膨胀管[8]等，其他主要有澳大利亚昆士兰大学的RHYFL—X系列膨胀管和日本的JX一1膨胀管。中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室(LHD)在2008年建成了爆轰驱动膨胀管JF一16，并通过典型模型试验对流场进行了初步诊断与流场显示研究[9。2

9、。

10、目前，JF一16已实现了最高速度为10．2km／s的高焓试验气流，为超高速流动的相关物理问题研究提供了基础支撑条件。JF一