飞机模型蒙皮气动热风洞试验温度测量方法初探

单永正 蒋甲利 许相辉 曹阳

摘?要：本文通过在直流连续式跨音速FL-7风洞进行的一次气动加热试验，针对某型号飞机模型介绍了一种接触式与非接触式测量相结合的表面蒙皮温度场测量方法，并针对测量数据进行了初步分析。试验结果证明这种测量方案是可行的，有效的。

关键词：蒙皮气动热； 红外热像仪； 热电偶； 铂电阻

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0014-02

飞机在高速飞行时由于气体与蒙皮表面摩擦，使大量的动能转变为热能并传递到蒙皮表面[1]，这种由气动力加热引起的长波8～14μm蒙皮辐射使得高速飞行的作战飞机在单调的天空背景中成为一个明显的红外辐射目标[2，3]，而风洞试验则是研究和预测超声速飞机气动热环境的主要技术途径[4]。我国在飞机蒙皮气动热风洞试验方面起步较晚，目前对蒙皮材料及涂层在飞行环境下的红外辐射、散射特性参数缺乏必要的试验测量。

中航工业气动院的直流连续式跨音速FL-7风洞经过适当改造后即可成为气动加热红外测试平台。但由于该风洞试验段尺寸小、风速高，因此在该风洞内实现对模型的表面温度测量具有一定的技术难度。

本文从某型号飞机全机模型的迎头红外特性测试试验入手，详述了飞机蒙皮气动热试验温度测量的方法，并为下一阶段的试验提出改进方案。

1测量方法

针对风洞中模型表面温度分布测量，目前采取非接触式和接触式测量相结合的方式。其中非接触式选用红外热像仪测量模型正前方温度场，结合风洞实际情况，将热像仪安装于蜂窝器处，使热像仪光轴同飞机缩比模型纵轴重合。示意图参见图1。

接触式测量则选用热电偶和铂电阻布置在机翼，测量表面特征点温度。在位于相对较薄的机翼中段采用热电偶，在相对较厚的机翼根部使用铂电阻。

2 FL-7风洞气动加热试验

2.1试验风洞及设备

FL-7风洞试验段口径：0.52m×0.64m，马赫数从0.2～1.5连续可调，并可持续吹风达0.5小时。

试验所用红外热像仪型号为FILR SC3000，工作波段8～9μm。热电偶为T型微细铠装热电偶，量程-200～+300℃，精度0.5℃。铂电阻为薄膜型铂电阻，量程-80～+80℃，精度0.1℃。

2.2试验过程

模型机身材质为碳钢，为了提高模型表面发射率，在模型表面喷涂了亚光黑漆。试验段环境参数：温度266K，1标准大气压，空气密度1.225kg/m3。热像仪采集帧频为60Hz，图像分辨率为320×240，热电偶与铂电阻采集周期0.3s。

试验过程如下：1）将模型与测量系统安置于风洞内；2）对红外热像仪进行标定；3）采集风洞吹风时的测量数据并存储到计算机；4）气动加热过程达到稳态后，停车。

2.3试验结果及分析

本次试验分别在马赫数1.2和1.4下对碳钢和尼龙机头进行了吹风测试，并利用红外热像仪对两种马赫数下两种材质机头进气道堵锥中心点采集了温度数据，此外还借助热电偶和铂电阻对相应马赫数下机翼上不同特征点采集了温度数据。

试验结果参见图1～图6，图中横轴为时间，纵轴为温度。

从图1～图4以及图5、图6中机翼前缘都能看出，风洞开始吹风后，被测点温度迅速下降至大气环境温度，经过小幅度波动之后，温度缓慢上升，并最终趋于稳定，而尼龙机头由于导热慢，温度上升的趋势更为明显。这个过程验证了飞机在超声速巡航状态下蒙皮气动加热现象，试验测量结果与理论分析符合得较好。尽管温度提高幅度不大，但是根据斯忒藩-波耳兹曼定律，红外辐射强度与热力学温度的4次方成正比，因此模型表面红外辐射强度提升得依然很可观。接下来，只要再得到模型表面发射率，传热系数等物性参数就可以进一步获得模型的红外特性。

3存在的问题及解决途径

本次试验只是定性的验证了蒙皮气动加热现象，试验中暴露了红外背景干扰过于严重的问题。从图2、图3的对比可知，吹风后发动机的高温导致模型后方红外特征明显，再加上洞壁反射等因素干扰了红外热像仪的测量，同时模型支撑系统与模型本身温度相近，难以将模型红外轮廓与支撑系统精确分离。预计的解决途径是在试验段后方加装遮挡装置，在风洞内壁刷黑漆降低反射，增加冷却设备降低支撑系统温度，同时加工新镜头，调整焦距，使得模型尽量充满视野，减小背景区域。此外，为了实现模型红外辐射的定量计算，还需使用标准黑体面源校准红外热像仪。

4结语

这种将热电偶、铂电阻和红外热像仪组合应用在风洞飞机蒙皮测温试验中的测量手段在国内尚属首次实施。最终成功地实现了对气动加热现象的实时观测和各个特征点温度值的定量测量。由此证明了这种非接触式和接触式测量相结合的测量方案是可行的，有效的。为下一阶段红外特性测试试验奠定了基础，确定了改进方向。

参考文献

[1]范绪箕.气动加热与热防护系统[M]. 北京：科学教育出版社，2004.

[2]付伟.飞机的红外辐射抑制技术[J].光机电信息，2002（10）：24-28.