高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)

蔣增輝, 宋 威, 魯 偉

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)

蔣增輝*, 宋 威, 魯 偉

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院, 北京 100074)

風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)是介于普通風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)之間的一種特種風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)。本文對(duì)高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，對(duì)風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的共性特點(diǎn)，及其不同的子技術(shù)——普通模型自由飛試驗(yàn)、多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)及高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)——三種子技術(shù)之間的差異及各自所適用的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了總結(jié)。其共性特點(diǎn)是：沒(méi)有支撐干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)模型在風(fēng)洞中的自由飛行；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分離瞬間瞬態(tài)氣動(dòng)力的模擬；試驗(yàn)的重復(fù)性較普通風(fēng)洞試驗(yàn)要差。三種子技術(shù)在共性特點(diǎn)基礎(chǔ)上又具有不同的特點(diǎn)：其中普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)主要應(yīng)用于飛行器動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題研究，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)則是應(yīng)用于飛行器各類多體分離問(wèn)題，而由于試驗(yàn)技術(shù)的差異，使得多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)在具體的多體分離問(wèn)題的應(yīng)用范圍上又有所不同。

風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)；多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)；高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)；動(dòng)穩(wěn)定性；多體分離

0 引 言

風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)是20世紀(jì)50～60年代發(fā)展起來(lái)的一種動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)，其特點(diǎn)是沒(méi)有任何支撐干擾，能夠比較真實(shí)地模擬飛行器的實(shí)際飛行狀態(tài)。目前，主要存在兩種形式的風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，一種為低速風(fēng)洞帶動(dòng)力自由飛試驗(yàn)，用于評(píng)估飛行器的飛行品質(zhì)以及飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試；另一種為高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理是在保證風(fēng)洞試驗(yàn)與飛行狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)相似情況下，真實(shí)地再現(xiàn)飛行器連續(xù)運(yùn)動(dòng)中在非定常氣動(dòng)力作用下的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而通過(guò)氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí)獲得飛行器的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，這使得高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)成為了飛行器動(dòng)態(tài)特性研究中的一種重要手段[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)展了多類物理問(wèn)題的研究，如飛行器靜/動(dòng)穩(wěn)定導(dǎo)數(shù)的獲取，以及大迎角狀態(tài)下飛行器氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的非線性分析。隨著試驗(yàn)技術(shù)水平的提高和適應(yīng)多體分離問(wèn)題研究的需要，高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的應(yīng)用還拓展到了多體分離問(wèn)題的研究領(lǐng)域，并作為一種有效的非定常風(fēng)洞試驗(yàn)研究手段，在多體分離問(wèn)題研究中得到了較多的應(yīng)用。

本文對(duì)高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作分類介紹，對(duì)技術(shù)的共性特點(diǎn)、不同的子技術(shù)之間的差異以及各自所適用的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行總結(jié)。由于本文所討論的風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)即指高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，因此文中均以“風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)”來(lái)指代“高速風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)”。

1 試驗(yàn)技術(shù)分類及發(fā)展現(xiàn)狀

從試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)看，風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)可以劃分為用于研究飛行器動(dòng)穩(wěn)定性研究的普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，在風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展的多體分離試驗(yàn)(下文稱為多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn))，以及同樣是針對(duì)多體分離問(wèn)題研究的高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)。由于投放物模型在分離解鎖后也處于不受約束的自由飛行狀態(tài)，且無(wú)論從模型設(shè)計(jì)方法和要求[2]，還是具體試驗(yàn)裝置以及試驗(yàn)方法上看，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)與風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，尤其是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)都具有極大的相似性，因此其也可以被視為是風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的一種[3]。

1.1普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)

普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的原理是：模型在風(fēng)洞氣流作用下自由飛行時(shí)，使用高速攝像機(jī)記錄自由飛行圖像，通過(guò)圖像判讀獲取模型運(yùn)動(dòng)軌跡、姿態(tài)角及角速度的時(shí)間歷程，采用參數(shù)擬合或參數(shù)辨識(shí)數(shù)據(jù)處理方法，得到模型氣動(dòng)力和氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)。

模型投放方式主要有發(fā)射式與懸掛式兩種，兩種方法各有利弊，發(fā)射式可獲得較多的試驗(yàn)周期，而懸掛式有利于較好的控制模型的初始姿態(tài)。

早在1954年，國(guó)外就已出現(xiàn)成功運(yùn)用風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的報(bào)告[4]。20世紀(jì)60年代，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了較多的風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)，到了70年代已逐步發(fā)展成熟，諸多研究機(jī)構(gòu)如AEDC、JPL、BRL等分別在各種類型的風(fēng)洞中開(kāi)展了一系列的風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)研究[5-13]，其中Notre Dame大學(xué)的學(xué)者Nicolaides、Ingram、Eikenberry等做了較多研究[14-17]。其他一些國(guó)家如加拿大[18]、德國(guó)[19]、日本[20-21]、南非[22]、英國(guó)[23]、法國(guó)[24]、俄羅斯等國(guó)也陸續(xù)開(kāi)展了風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)研究。從文獻(xiàn)來(lái)看，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)采用的多為發(fā)射式模型投放，懸掛式使用較少。圖1和圖2所示為美國(guó)學(xué)者Jaffe開(kāi)展的10°和60°錐風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)結(jié)果[9]。

國(guó)內(nèi)主要是中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院和中科院力學(xué)所在該方面開(kāi)展了較多研究工作，兩家單位都是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始開(kāi)展風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)研究。其中，中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院一直是采用發(fā)射式模型投放方式[25-26]，而力學(xué)所馬家驩等采用的是懸掛式[27]，許可法等采用的是發(fā)射式[28]，在中斷了若干年之后，力學(xué)所近年又重新開(kāi)展了該方面的研究[29]。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心近年來(lái)也已開(kāi)展了風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)研究[30]。圖3所示為中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院開(kāi)展的旋轉(zhuǎn)鈍錐模型雙平面拍攝風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)圖像[25]。

1.2多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)是飛行器模型在風(fēng)洞中作自由飛行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多體分離，同時(shí)通過(guò)高速攝像等記錄設(shè)備對(duì)各分離體分離過(guò)程及分離前后飛行軌跡進(jìn)行拍攝記錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多體之間分離時(shí)的分離安全性、干擾特性及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究的風(fēng)洞特種試驗(yàn)技術(shù)。

由于風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)具有能比較真實(shí)的模擬飛行器飛行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特點(diǎn)，因此在風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展的多體分離試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多體分離過(guò)程中各分離體之間運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的相似，是非常接近真實(shí)飛行氣動(dòng)特征的地面模擬試驗(yàn)方法,能夠?qū)崿F(xiàn)較好地模擬真實(shí)飛行器的多體分離過(guò)程。同時(shí)可較為直觀地通過(guò)觀察窗直接觀察到分離狀態(tài)，因此其在多體分離問(wèn)題研究方面具有較為獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Laumann[31]和美國(guó)布法羅研究中心CUBRC的Holden等[3]均開(kāi)展了多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，且主要是級(jí)間分離試驗(yàn)研究，如圖4所示。

國(guó)內(nèi)中科院力學(xué)所[32]和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心[33]曾在20世紀(jì)80年代開(kāi)展過(guò)針對(duì)拋殼分離和級(jí)間分離問(wèn)題的風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院也在同時(shí)期開(kāi)始開(kāi)展涵蓋子母彈拋撒分離、殼體與母彈分離以及級(jí)間冷、熱分離模擬等多種形式的多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，具體研究范例可見(jiàn)文獻(xiàn)[34]。

1.3高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)

高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)是在風(fēng)洞中令一個(gè)或多個(gè)投放物從處于固定支撐狀態(tài)的母彈或母機(jī)(為敘述方便，下文全部以母彈指代母彈和母機(jī))上投放分離，同時(shí)用高速攝影機(jī)記錄和觀察投放物與母彈分離后自由飛行的軌跡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速飛行器多體分離時(shí)的分離安全性、干擾特性及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究。

作為研究多體分離問(wèn)題的另一種有效手段，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)除母彈固定支撐以外，與多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)較為相似，由于投放物在分離解鎖后也處于不受約束的自由飛行狀態(tài)，通常也被視為風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的一種。根據(jù)其有無(wú)助投力，可分為自由投放(無(wú)助投力)和彈射投放(有助投力)兩種。

高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)在多體分離問(wèn)題的研究中得到了較多的應(yīng)用。文獻(xiàn)表明國(guó)外學(xué)者開(kāi)展的高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)多為針對(duì)飛機(jī)外掛物投放和內(nèi)埋武器的投放試驗(yàn)[35-40]。20世紀(jì)50年代，Langley即已開(kāi)展了內(nèi)埋導(dǎo)彈的高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)[35]，如圖5所示。此外AEDC[41]、空軍理工大學(xué)(U.S. Air Force Institute of Technology)[40]等都曾開(kāi)展過(guò)內(nèi)埋導(dǎo)彈高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)。其他國(guó)家如德國(guó)[42]、俄羅斯[43]等國(guó)也早已開(kāi)展該試驗(yàn)技術(shù)研究，目前該試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)外已較為成熟。此外，美國(guó)布法羅研究中心CUBRC的Holden等還開(kāi)展了頭罩分離的高速風(fēng)洞投放試驗(yàn)研究[3]，如圖6所示。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展的風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)多為低速風(fēng)洞試驗(yàn)[44-46]，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)僅有較少的幾家單位開(kāi)展過(guò)[47-48]。中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院在這方面開(kāi)展的研究工作較多，在較多型號(hào)研制中得到了成功應(yīng)用，研究領(lǐng)域也涵蓋了上述飛機(jī)外掛物投放、內(nèi)埋武器投放、子母彈拋撒、重塊拋撒，以及頭罩分離、導(dǎo)彈殼片分離等目前高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)?zāi)軌驊?yīng)用的幾乎所有領(lǐng)域，具體研究范例可見(jiàn)文獻(xiàn)[49]。

2 三種試驗(yàn)技術(shù)的共性特點(diǎn)

2.1模型在風(fēng)洞中自由飛行

沒(méi)有任何支撐干擾，能夠比較真實(shí)地模擬飛行器的實(shí)際飛行狀態(tài)是風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，其中，普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)和多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)中試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆皇苤巫饔枚杂娠w行，而高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)雖然母彈固持，但投放物是沒(méi)有支撐的自由飛行狀態(tài)，且試驗(yàn)主要研究的是投放物的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此三類風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)均具有此共同特點(diǎn)，這也是風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)區(qū)別于其他風(fēng)洞試驗(yàn)的主要特點(diǎn)。由此也使得三類試驗(yàn)在試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)設(shè)備、相似準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)讀取等方面均較為相似。

2.2試驗(yàn)的不確定度問(wèn)題

沒(méi)有支撐在帶來(lái)上述自由度釋放等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也喪失了支撐本身所能起到的對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头€(wěn)定姿態(tài)的作用，從而使得風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)缺失了普通風(fēng)洞試驗(yàn)所具有的能夠精確地控制試驗(yàn)條件的優(yōu)點(diǎn)。因此風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)在獲得了與飛行狀態(tài)較為相似優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也繼承了其試驗(yàn)結(jié)果不確定度較普通風(fēng)洞試驗(yàn)大的缺點(diǎn)，從而使得試驗(yàn)的重復(fù)性較普通風(fēng)洞試驗(yàn)要差。這也是三類風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)所共同具有的缺點(diǎn)。

普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)和多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)在投放模型時(shí)的發(fā)射初擾動(dòng)(如發(fā)射初速度的波動(dòng)、模型離開(kāi)投放機(jī)構(gòu)時(shí)的姿態(tài)波動(dòng)等)，以及高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)在彈射模型時(shí)每一次試驗(yàn)的彈射初擾動(dòng)，均會(huì)對(duì)每次試驗(yàn)中試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥杂娠w行的姿態(tài)產(chǎn)生影響，進(jìn)而使得每次試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)有所不同。同時(shí)，由于自由飛試驗(yàn)是耗損性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)需使用不同的模型，不同試驗(yàn)?zāi)Ｐ?投放物模型)的加工誤差、安裝誤差等都造成了試驗(yàn)重復(fù)性較普通風(fēng)洞試驗(yàn)要差。

上述重復(fù)性的波動(dòng)及其影響因素也是飛行試驗(yàn)的特點(diǎn)。但相比飛行試驗(yàn)，風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)也繼承了風(fēng)洞試驗(yàn)的部分優(yōu)點(diǎn)，如能精確地控制試驗(yàn)條件，如氣流的速度、壓力、溫度等，試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，受氣候條件和時(shí)間的影響小；試驗(yàn)比較安全，而且成本低、效率高等，其比飛行試驗(yàn)的不確定度要小。

因此，風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)不確定度介于普通風(fēng)洞試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)之間，兼具了風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)二者的特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也正好介于風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)二者中間。

2.3對(duì)分離瞬間瞬態(tài)氣動(dòng)力的模擬

由于都是著眼于多體分離問(wèn)題的研究，因此多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)與高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)在研究目的和應(yīng)用領(lǐng)域上較為相似。且由于二者的模型自由飛特點(diǎn)，都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分離瞬間瞬態(tài)氣動(dòng)力的模擬，這也是這兩種試驗(yàn)技術(shù)在多體分離問(wèn)題研究中所具備的獨(dú)特特點(diǎn)。

3 三種試驗(yàn)技術(shù)的差異和適用領(lǐng)域

沒(méi)有支撐干擾，模型在風(fēng)洞中自由飛行是三種試驗(yàn)技術(shù)的共同特點(diǎn)，但由于研究目的和具體研究方法的差異，使得三種試驗(yàn)技術(shù)又各有特點(diǎn)，具體技術(shù)上也有所不同。

3.1普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)與多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)的差異

普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)與多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)具有較大的相似性，但由于研究目的的不同，二者不但應(yīng)用領(lǐng)域不同，也使得多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)與普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)相比，多了分離解鎖這一動(dòng)作，相應(yīng)增加了分離解鎖機(jī)構(gòu)，且需保證分離體獲得試驗(yàn)所要求的分離初線速度和初角速度，因而增加了試驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)，在相似準(zhǔn)則方面，也增加了分離體分離初線速度和初角速度的相似換算問(wèn)題。就根本上來(lái)說(shuō)，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)即是在風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展的多體分離試驗(yàn)。

由于多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)需要在風(fēng)洞中實(shí)現(xiàn)模型自由飛的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多體之間以一定的分離初速度、初角速度分離，因此試驗(yàn)難度較普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)明顯提高。

3.2多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)與高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)的差異

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)與高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)雖在應(yīng)用領(lǐng)域和試驗(yàn)技術(shù)上較為相似，但由于兩種試驗(yàn)技術(shù)存在母彈自由飛行與固支的差別，使得在具體技術(shù)方法及特點(diǎn)上也存在一些較為明顯的不同。

首先，由于母彈與分離投放物均處于自由飛行狀態(tài)，因此多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地反映母彈與投放物在分離過(guò)程中的互相干擾。而高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)由于母彈固支，多體分離過(guò)程中分離體相互之間的干擾特性模擬是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，分離過(guò)程中母彈對(duì)投放物的影響能夠得以反映，但投放物對(duì)母彈姿態(tài)的影響無(wú)法模擬。因此多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)比高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)更加接近實(shí)際飛行和分離狀態(tài)。

但高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)也具有一些多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)所不具備的優(yōu)點(diǎn)：

第一，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)在給定的母彈迎角、側(cè)滑角以及旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)下實(shí)現(xiàn)分離，并可進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在分離瞬間母彈姿態(tài)的定量改變；而多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)由于母彈也處于自由飛行狀態(tài)下，其分離時(shí)刻的姿態(tài)較難控制，實(shí)際上，通常分離時(shí)刻母彈的姿態(tài)都與實(shí)際要求的姿態(tài)有一定偏差；

第二，在母彈固定的情況下，模型尺寸縮比可取的較大，因而可實(shí)現(xiàn)更小尺寸投放物的拋撒分離試驗(yàn)；而多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)由于要考慮母彈在風(fēng)洞中的自由飛行，其尺寸不可能取得過(guò)大，因此若縮比比例較大，可能會(huì)造成本就與母彈尺寸相差較大的投放物模型縮比后尺寸過(guò)小，試驗(yàn)中難以清晰觀察出其分離過(guò)程、軌跡以及姿態(tài)，甚至可能小到難以實(shí)現(xiàn)相似模擬；

第三，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)需保證母彈自由飛行至觀察窗區(qū)域時(shí)實(shí)現(xiàn)投放物的分離，而高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)則僅需考慮投放物的拋射，不必考慮母彈的自由飛行，相當(dāng)于少了一個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)，因此試驗(yàn)難度要小很多；同時(shí)，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)的不確定度也比多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)要小，也即試驗(yàn)重復(fù)性要好一些；

第四，試驗(yàn)方法的不同造成試驗(yàn)機(jī)構(gòu)也有不同，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)只能采用彈簧機(jī)構(gòu)來(lái)模擬分離力的作用，而高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)則可根據(jù)具體情況的不同，選擇氣缸或者彈簧兩種方式來(lái)模擬分離力；

第五，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)由于母彈不作自由飛行，可以重復(fù)使用，因此試驗(yàn)成本較多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)要低(多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)每次試驗(yàn)要損耗一個(gè)母彈)。

3.3普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)與高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)的差異

這兩項(xiàng)技術(shù)在試驗(yàn)方法上有一定相似性，都是將模型自由投放至風(fēng)洞流場(chǎng)，但后者對(duì)投放的初線速度和角速度等參數(shù)的要求較為嚴(yán)格，這是二者的一個(gè)重要不同；另外就是二者的研究目的不同，前者著眼于動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題的研究，而后者著眼于多體分離問(wèn)題的研究，因而導(dǎo)致試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法也不同。

3.4三種試驗(yàn)技術(shù)特點(diǎn)綜合比較

從技術(shù)復(fù)雜度來(lái)說(shuō)，普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)是三種風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)中最簡(jiǎn)單、也是最基礎(chǔ)的一種；其次是高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)，其需要考慮對(duì)模型投放的初始參數(shù)進(jìn)行模擬；難度最大的是多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，它不但要首先實(shí)現(xiàn)母彈的自由飛行，還要實(shí)現(xiàn)投放物模型從母彈上投放的初始參數(shù)模擬。

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)是聯(lián)系普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)的紐帶，也可以視為是兩項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的結(jié)合。它與另兩項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)均具有較大的相似性，因此也兼具了另兩項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)。可以說(shuō)多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)技術(shù)是普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)間的過(guò)渡技術(shù)。

3.5三種試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

由于研究目的的不同，普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)與另兩項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域完全不同，普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)主要應(yīng)用于飛行器動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題研究，而多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)則是應(yīng)用于飛行器各類多體分離問(wèn)題。

多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)雖均應(yīng)用于飛行器多體分離問(wèn)題的研究，但由于3.2節(jié)所述的兩種試驗(yàn)技術(shù)的差異，使得兩種試驗(yàn)技術(shù)在多體分離問(wèn)題研究的應(yīng)用上又具有不同的領(lǐng)域。

多體分離自由飛試驗(yàn)適用于多體之間質(zhì)量或體積相差較小的，互相之間干擾較為強(qiáng)烈的情況；高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)適用于分離體與母彈之間質(zhì)量或體積相差較大的情況，也即分離過(guò)程中投放物對(duì)母彈的飛行姿態(tài)影響較小，因而采用母彈固持的方式進(jìn)行試驗(yàn)也能夠較為真實(shí)的反映實(shí)際飛行器多體分離的情況。

對(duì)于某些多體分離問(wèn)題，雖然分離體之間質(zhì)量或體積相差不大，但由于母彈在自由飛行的過(guò)程中飛行姿態(tài)難以穩(wěn)定，使得多體之間的分離難以實(shí)現(xiàn)，多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)也因此難以進(jìn)行，此時(shí)仍需采用高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)，但此種情況下分離過(guò)程中分離體對(duì)母彈的飛行姿態(tài)影響沒(méi)有得到較好的模擬，這是需要注意的。

因此，對(duì)于各種具體多體分離問(wèn)題的研究，通常來(lái)說(shuō)，級(jí)間分離問(wèn)題應(yīng)當(dāng)采用多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)技術(shù)不適用；子母彈或?qū)棜て瑨伻鰡?wèn)題則既可采用多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，也可采用高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)，可根據(jù)具體情況來(lái)選擇，若子彈/殼片與母彈質(zhì)量或體積相差較小，則可選擇多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)，而如果對(duì)分離瞬間母彈的姿態(tài)有明確要求，則應(yīng)選用高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)為宜；其他多體分離問(wèn)題，如頭罩分離、飛機(jī)外掛物投放、內(nèi)埋武器投放等，均采用高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)較為適宜。

總體來(lái)說(shuō)，高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)對(duì)多體分離問(wèn)題可研究的領(lǐng)域范圍要大于多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)。

4 結(jié)論和展望

風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)雖屬風(fēng)洞試驗(yàn)范疇，但就其特點(diǎn)來(lái)說(shuō)應(yīng)是介于空氣動(dòng)力學(xué)三大研究手段中普通風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)之間的一種特種風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)，其同時(shí)兼具了普通風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)二者的特點(diǎn)，也同時(shí)具有普通風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)所不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此其在飛行器研制及空氣動(dòng)力學(xué)研究中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

其細(xì)分出的三種試驗(yàn)技術(shù)，普通風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)、多體分離風(fēng)洞自由飛試驗(yàn)和高速風(fēng)洞投放模型試驗(yàn)，各有特點(diǎn)，研究領(lǐng)域涉及飛行器動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題和各種多體分離問(wèn)題，因此風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)又具有研究領(lǐng)域廣泛的特點(diǎn)。

隨著當(dāng)前飛行器研制對(duì)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題和各種多體分離問(wèn)題研究水平的要求不斷提高，采用風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)來(lái)開(kāi)展相關(guān)研究的需求逐漸增加，風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的作用也日益凸顯，同時(shí)對(duì)風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)水平的要求也不斷提高。加強(qiáng)和推進(jìn)風(fēng)洞模型自由飛試驗(yàn)技術(shù)的研究，將對(duì)推動(dòng)新一代飛行器的研制和新概念技術(shù)的研究提供重要保障。

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High-speedwindtunnelfree-flighttesttechnique

JIANG Zenghui*, SONG Wei, LU Wei

(ChinaAcademyofAerospaceAerodynamics,Beijing100074,China)

Wind tunnel model free-flight test is a special wind tunnel test technique between ordinary wind tunnel test and flight test. In this paper, the development of high-speed wind tunnel model free-flight test technology is introduced. Firstly，the development of high-speed wind tunnel model free flight test technology is introduced.Secondly, the common characteristics of wind tunnel model free flight test technology and its three sub-technology —— general model free-flight test, multi-bodies separation wind tunnel free-flight test and high speed wind tunnel drop-model test —— the difference between the three sub-technologies and their respective application fields are summarized. The common characteristics are support interference-free aerodynamic data and the model free flighting, so that the transient aerodynamic force can be measured at the moment of separation. The repeatability of the test is a common disadvantage compared with the general wind tunnel test. For the three sub-techniques, each has its own characterisitc, and has specific technology and application field from others. The research fields of the three sub-techniques cover the dynamic stability and all kinds of multi-bodies separation of aircrafts. The general wind tunnel free-flight test is applied for the research of aircraft dynamic stability, and the other two sub-techniques are applied in the research of all kinds of multi-bodies separation. While the different multi-bodies separation problems are covered, by the multi-bodies separation wind tunnel free-flight test and high speed wind tunnel drop-model test technique, because of the difference between the specific technology of the two sub-techniques.

wind tunnel free-flight test; multi-bodies separation wind tunnel free-flight test; high-speed wind tunnel drop-model test; dynamic stability; multi-bodies separation

V211.7;V212.1

A

10.7638/kqdlxxb-2016.0101

0258-1825(2017)05-0680-07

2016-07-22;

2016-12-28

蔣增輝*(1980-),男，博士，高級(jí)工程師， 主要從事非定?？諝鈩?dòng)力學(xué). E-mail: jzhhit@163.com

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