基于压电敏感元件的摩阻天平设计

赵荣娟, 吕治国, 黄 军, 刘施然

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000)

0 引 言

摩阻是飞行器在高超声速飞行时所受总阻力的重要组成部分，相关的研究表明，摩阻最高可能占高超声速飞行器总阻力的50%[1]。准确地预测摩阻，在飞行器性能的评估、减阻以及CFD计算模型的确认等方面都有重要的作用[2-3]。虽然摩阻在高超声速飞行器的研制中非常重要，但要准确地进行测量却面临较大技术难题。在高超声速条件下，特别是高焓高马赫数状态，一般只能通过脉冲型风洞进行流场的模拟，有效试验时间只有几个到几十个毫秒，对测试传感器的频响提出了相对较高的要求。

为了进行飞行器摩阻特性研究工作，国际和国内开展了多项的理论预测和试验工作，发展了多种摩阻理论预测方法和测量手段[4-10]。在各种测量方法中，利用摩阻天平进行测量是获得飞行器模型表面摩阻的最直接的手段。国际上，从20世纪50、60年代开始，相继开展了摩阻传感器的研制工作，发展了应变式摩阻传感器[11-13]、压电式摩阻传感器[1,14-17]、MEMS摩阻传感器[6]、光纤摩阻传感器[18]等多种摩阻测量手段。

澳大利亚昆士兰大学为了进行脉冲型风洞摩阻测量，研制了基于剪切型压电陶瓷敏感元件的摩阻传感器，该传感器利用剪切型压电陶瓷片的剪切压电效应实现摩阻的测量，频响可达到40 kHz[1]。美国CUBRC为了在LENS激波风洞上进行摩阻测量，也研制了基于压电陶瓷的摩阻传感器，通过三个压电陶瓷柱实现摩阻的测量，其中两个压电陶瓷柱用于摩阻的测量，中间的一个压电陶瓷柱用于风洞启动时加速度的补偿[14]。……