自由活塞激波风洞压缩管非等熵流动分析

易翔宇, 陈 星, 毕志献, 陈 农, 纪 锋, 谌君谋, 姚大鹏

(中国航天空气动力技术研究院,北京 100074)

引 言

在高Mach数飞行条件下,飞行器表面气体会出现振动能激发、离解及电离等现象,对气动力/热分布产生显著影响[1];开展该类现象的模拟对地面试验设备的能力提出了极高的要求[2].自由活塞激波风洞是一类得到广泛应用的高焓地面模拟设备;从20世纪中叶以来,自由活塞激波风洞在高温气体动力学研究领域发挥着关键作用[3-4],典型如澳大利亚昆士兰大学的T4[5-6],美国加州理工学院的T5[7-8],德国DLR的HEG[9-10],日本国家航天实验中心的HIEST[11-12],英国牛津大学的T6[13]等.中国航天空气动力技术研究院自主研发了一套2 m量级的自由活塞激波风洞,并在2017年投入使用[14].

自由活塞激波风洞的结构可分为4个主要部分:活塞压缩器、激波管、喷管和试验段(及其附属的真空罐体).此类设备运行原理与激波风洞相似,即通过膜片的破裂产生入射激波,入射激波在激波管末端(激波管与喷管连接处)反射后对管内试验气体形成二次加压加热,随后高温高压试验气体经过喷管并形成高Mach数试验流场.自由活塞激波风洞的特点在于利用重活塞压缩高压段内的气体(一般为氦气、氩气或二者的混合气体),使其达到较高的温度与压力,大幅提升破膜后激波管内激波强度,进而提升驻室气体的总温,满足高总焓值模拟需求[15-16].活塞压缩器的运行状态很大程度上决定了自由活塞激波风洞的性能,而压……