【摘要】：準(zhǔn)確地獲取飛行器表面的氣動及熱流數(shù)據(jù)對設(shè)計飛行器結(jié)構(gòu)具有重要的意義。而在實際應(yīng)用中,應(yīng)用于極端環(huán)境的傳感器一定要耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、耐氧化,因此,研究制備性能優(yōu)異的新型傳感器并有效的驗證其精度和可靠性就非常必要。目前,傳統(tǒng)驗證方案無法完全真實模擬實際環(huán)境或者成本過高,考慮到采用新型高溫摩阻傳感器獲取外表面環(huán)境信息是主要的途徑,本文以摩阻傳感器為例,致力于設(shè)計一款低成本的試驗飛行器用作高超聲速試驗平臺,來獲得研究各類關(guān)鍵數(shù)據(jù)從而推動高超聲速飛行器的發(fā)展。通過對小型再入體的外形參數(shù)和飛行器軌道參數(shù)的控制實現(xiàn)與大型飛行器等效的熱環(huán)境,以較低的試驗成本實現(xiàn)可控的地球大氣再入高超聲速試驗,開展飛行試驗。1)首先,針對驗證目標(biāo),選擇了一個具有完整過程和成熟數(shù)據(jù)的飛行項目EXPERT,根據(jù)其基本軌道、外形、不同氣動熱力學(xué)區(qū)域的基本物理化學(xué)特征以及表征材料表面效應(yīng)的數(shù)值等建立模型,進行計算,得到基本環(huán)境數(shù)據(jù),為后續(xù)傳感器和再入體設(shè)計提供目標(biāo)2)對典型傳統(tǒng)摩阻天平傳感器測量原理進行分析得出直接測量法非指零型懸臂梁結(jié)構(gòu)更適用于高超聲速環(huán)境的高溫摩阻傳感器設(shè)計方案,并從結(jié)構(gòu)材料上進行改進,通過數(shù)值模擬得出在高超聲速環(huán)境下的該傳感器的溫度響應(yīng)及熱應(yīng)力響應(yīng)。得到其適用條件為壓力低于200MPa、溫度小于1200℃,為后續(xù)再入體設(shè)計提供目標(biāo)傳感器方案驗證和其限制條件。3)確定再入體軌道數(shù)據(jù)和外形尺寸,總結(jié)了設(shè)計參數(shù)與氣動參數(shù)之間的規(guī)律(隨著前緣半徑增加,熱流密度逐漸減小、錐體表面熱流隨著半錐角的增大而增大),確定了再入體的熱防護方案和內(nèi)部設(shè)計。同時,就熱流計算對數(shù)值模擬方法和工程算法之間進行比較,發(fā)現(xiàn)最大誤差為11.8%,可以滿足粗略計算精度要求。4)通過再入體設(shè)計參數(shù)和傳感器安裝位置數(shù)據(jù)的不斷迭代使得目標(biāo)傳感器所處環(huán)境與所選目標(biāo)環(huán)境類似,得到的環(huán)境與目標(biāo)環(huán)境相比,四個關(guān)鍵指標(biāo)中,熱流的誤差在4.96%,壓力的誤差為5.67%,馬赫數(shù)和高度都在目標(biāo)環(huán)境范圍內(nèi),從而驗證本平臺設(shè)計的合理性。
【圖文】：

如圖 1-1 (b)所示。其中地面驗證方案通常所采用的、高焓電弧風(fēng)洞以及高焓感應(yīng)加熱風(fēng)洞等設(shè)施。這些風(fēng)洞產(chǎn)生的平衡度與飛行環(huán)境下的非平衡度之間存在本質(zhì)上的差異，不能完學(xué)非平衡效應(yīng)的高超聲速流動狀態(tài)。另外，設(shè)計方法、實驗結(jié)果須通過真實的飛行數(shù)據(jù)來驗證，然而獲取實際飛行數(shù)據(jù)的成本成本較高且試驗次數(shù)有限，，不能以大量的重復(fù)性試驗來獲得試驗 的 HYFLEX (Hypersonic Flight Experiment) 飛行實驗，盡管測得，但并未成功回收，無法多次利用[1]。而國際上已開展的 SHEF之類的試驗平臺成本高且存在重復(fù)性不高導(dǎo)致的數(shù)據(jù)庫不完整問題。因此，當(dāng)前急需低成本且能夠用于驗證新型傳感器、熱防設(shè)計方法、實驗結(jié)果和數(shù)值結(jié)果等的高超聲速試驗平臺。

洞、CALSPAN 的 HYTEC5 高焓激波風(fēng)洞等。在高焓沖壓發(fā)動機摩擦阻力風(fēng)洞試驗中，測量結(jié)果不確定度為 11%~16%；由圖示尺寸所示可得，摩平體積較大，測量裝置感受單元直徑為 7.62mm，面積較大，當(dāng)壓力梯度時，導(dǎo)致測量單元表面前后對摩阻力感受不一致，摩阻力點測量等效關(guān)系影響，測量結(jié)果不確定度達到 12%~22%。另外，利用硅油填充間隙的方在填注困難與滲漏等問題。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V217

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2637198