激波风洞超燃冲压发动机推力测量技术研究

赵荣娟，刘施然，周正，吴里银，吕治国, *

1. 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，绵阳 621000

2. 中国空气动力研究与发展中心 高超声速冲压发动机技术重点实验室，绵阳 621000

0 引 言

随着航空航天飞行器的发展，采用超燃冲压发动机作为动力的一体化飞行器是各航空航天强国的发展重点。高马赫数超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器的动力核心，具有巨大的经济和军事效益。真实总温和总压模拟是超燃冲压发动机试验研究的重要基础。激波风洞具有较强的总温和总压同时模拟能力，是最理想的高马赫数（Ma≥8）超燃冲压发动机地面研究设备。

在国外，日本、澳大利亚、美国、德国等均基于激波风洞（如HyPulse、LENS、Ames16、T4、HEG、HIEST）开展了大量的高马赫超燃冲压发动机研究工作。日本国家航天试验中心（JAXA）自HIEST自由活塞激波风洞建成后，开展了大量的超燃冲压发动机研究工作，最高试验马赫数达到12。Takahashi等在HIEST自由活塞激波风洞上采用模型自由飞的方式，使用加速度计测量了超燃冲压发动机燃料燃烧产生的推力。澳大利亚昆士兰大学的研究者们在T4激波风洞和X3膨胀管上采用单分量和三分量应力波天平进行了超燃冲压发动机推力测量，获得了发动机的推阻特性。美国国家航空航天局（NASA）的通用应用科学实验室（GASL）使用澳大利亚昆士兰大学发展的应力波天平，在HyPulse激波风洞上进行了试验马赫数7条件下的超燃冲压发动机三分量测力试验。美国卡尔斯潘大学布法罗研究中心（CUBRC）在LENS II 激波风洞上，采用模型自由飞的方式测量了X-51飞行器模型的推力、阻力和升力，阻力测量结果与飞行试验结果一致。在试验时，模型采用软悬挂轨迹追踪支撑，通过安装在模型内部的加速度计和模型轨迹捕获2种方式进行气动力测量。德国航空航天中心（DLR）在HEG激波风洞上，采用模型自由飞的方式，通过轨迹追踪和加速度计测量了作用在超燃冲压发动机模型上的推力。

在国内中国空气动力研究与发展中心（CARDC）在脉冲燃烧风洞上开展了超燃冲压发动机推力测量试验，试验马赫数不超过6。中国科学院力学研究所也在JF-12激波风洞中采用盒式天平进行了超燃冲压发动机推力测量试验。上述2个风洞有效试验时间都在百毫秒级，国内尚未有在激波风洞中进行十毫秒级或毫秒级有效试验时间内超燃冲压发动机推力测量的报道。

由于长时间运行的常规高超声速风洞和具有较长试验时间的脉冲燃烧风洞，均无法提供高马赫数（Ma≥8）超燃冲压发动机研究的试验环境，其推力测量试验只能依托于激波风洞。但激波风洞的有效试验时间一般短于10 ms，测力试验模型质量不超过10 kg。如何在毫秒级的有效试验时间内测量数百千克超燃冲压发动机模型的推力是本研究的难点。

激波风洞启动时会产生一个较大的冲击载荷，因此天平需要满足以下要求：具有足够的强度，以保证在巨大冲击载荷下安全可靠；具有足够的刚度，以避免或减小各分量之间的非线性干扰和疲劳损坏。针对压电材料具有灵敏度高、频响高和动态范围宽的特点，美国康奈尔航空试验室（CUBRC的前身）的学者首先发展了加速度补偿型压电天平用于激波风洞中气动力的测量。后来，CARDC的学者也发展了用于激波风洞中气动力测量的梁式微应变压电天平和半导体应变天平。德国DLR的学者Schewe和Steinhoff将压电式力传感器用于低温Ludwieg管中圆柱后方由于涡流产生的非定常力的测量。澳大利亚昆士兰大学研制了压电式摩阻天平用于高焓脉冲设备中模型表面摩阻的测量。

为满足我国高马赫数超燃冲压发动机研制的需求，本文将设计一种压电式推力测量天平，以实现激波风洞中高马赫数超燃冲压发动机推力测量。

1 压电式推力天平设计

由于超燃冲压发动机模型的长为3 m，质量为260 kg，本研究采用2个天平组合的方式进行超燃冲压发动机推力测量。天平采用腹部支撑方式。天平主体采用框式结构，上表面连接板与试验模型相连，下表面连接板与风洞的支撑机构相连。由于发动机内部要设计燃料喷注试验装置，没有足够的空间放置推力测量天平，故将天平安装在模型外部。

由于激波风洞的有效试验时间不超过10 ms，天平安装位置距燃烧室较远，燃料燃烧产生的热量在有效试验时间内无法传递到天平的力敏梁上，故在天平的设计中未考虑温度的影响。

天平采用盒式结构，尺寸为300 mm×200 mm×100 mm。在侧面的2个横梁上布置推力测量元件，推力测量元件的两端采用弹性铰链结构以降低法向力和俯仰力矩对轴向力测量的影响。

采用有限元力电耦合分析方法对天平进行单天平性能和天平–模型整体性能的评估。为简化模型，在建模时未考虑连接螺栓孔的影响。天平材料选用17-4PH，压电陶瓷片选用正压型的PZT-5，模型材料选用30CrMnSiA，材料的性能参数如表1所示（表中，c为弹性刚度系数，E为弹性模量，为密度，为泊松比，为介电常数，e为压电应力常数）。

在有限元力电耦合分析中，采用SOLID 5压电耦合单元模拟压电陶瓷片，采用SOLID 45单元模拟天平本体，建立压电天平的有限元模型如图1所示。在评估中，采用静力分析方法评估天平的主灵敏度系数和干扰灵敏度系数，采用模态分析方法评估天平的频响性能，采用动力学分析方法对天平的动态特性进行评估。

表 1 材料参数表Table 1 Material parameters

图 1 压电式推力天平的有限元模型Fig. 1 ANSYS model of piezoelectic balance

1.1 单天平性能评估

采用静力分析方法评估天平的结构强度，计算结构在恒定载荷下的响应，分析时不考虑结构的惯性和阻尼影响。当施加10倍的冲击载荷（1000 N）时，天平结构所受最大应力约为100 MPa，远小于天平结构的强度极限。在力敏梁贴片位置，未出现应力集中现象，天平的结构强度满足要求。

天平具有较好的对称性，当施加反向载荷时，天平输出电势与施加正向载荷时大小相等，符号相反。分别对天平施加–500～1000 N的轴向载荷，得到天平输出电压与轴向载荷之间的关系如图2所示，天平输出的线性度较高。

对天平分别施加法向力和俯仰力矩载荷，评估法向力和俯仰力矩对天平轴向力输出的影响。表2为天平灵敏度的计算结果，从表中可以看出，天平的轴向力灵敏度较高，法向力和俯仰力矩对天平输出的影响很小。

图 2 天平输出与轴向载荷之间的关系Fig. 2 Balance output voltage with different loading

表 2 天平灵敏度评估结果Table 2 Simulation results of the balance sensitivity

使用模态分析方法评估天平的频响特征如表3所示。从表中可以看出，天平的频响较高，可满足在激波风洞中进行测力试验的需求。

表 3 天平模态结果Table 3 Modal results of the balance

1.2 天平-模型整体性能评估

由于天平的频响对风洞试验结果影响较大，为评估天平-模型的整体性能，将模型、天平及支撑系统作为一个整体进行有限元模拟。在模拟中，分别进行静力分析、模态分析和瞬态响应特性分析。

在静力分析中，计算了天平的的轴向力主系数和法向力、俯仰力矩的干扰系数如表2所示。取2个天平的输出电势之和作为天平输出结果，从表中可以看出，在考虑试验模型后，评估得到的主系数与单天平评估时变化不大，但法向力和俯仰力矩对天平输出的干扰系数有所增加。与主系数相比，轴向力干扰系数的量值很小。在10mV/N量级，当法向力达到100 N时，对天平轴向力的干扰输出约2 mV，相对于轴向力主分量输出，在测力试验中可忽略法向力对轴向力的干扰；俯仰力矩的干扰情况类似。

天平-模型整体的模态分析结果如表3所示，从表中可以看出，由于试验模型的质量很大，在考虑试验模型和支撑系统后，测力试验系统的一阶频响显著降低，天平的一阶频响由1022.40 Hz降低至187.82 Hz。

天平-模型整体的瞬态分析结果如图3所示，图中显示了轴向力的加载曲线以及补偿前后天平输出曲线的对比情况。从图中可以看出，采用布置在天平上的加速度计能够很好地补偿天平输出信号中的低频振动信号，但经过补偿后引入了高频振动信号。使用1500 Hz的低通滤波将天平输出信号中的高频信号滤除后，天平的输出信号与施加载荷基本一致，说明使用设计的天平能够在激波风洞的有效试验时间内实现对作用在模型上的气动力的测量。

图 3 瞬态分析结果曲线Fig. 3 Loading and result in transient analysis

2 压电天平校准

天平制作完成后，通过单分量校准确定了天平的校准公式。天平校准采用快速卸载的方式进行，即先在天平上通过细钢丝悬挂一个砝码载荷，然后通过快速托起砝码的方式将载荷卸掉，对天平施加一个阶跃载荷，从而实现对天平的校准。再分别对单个天平和组合的双天平进行校准。双天平校准时，天平之间的距离与风洞试验时天平的安装距离一致，如图4所示。

图 4 双天平组合校准照片Fig. 4 Photo of two balance combination calibration

单个天平的校准结果如图5所示，从图中可以看出，天平的线性度较好，1#和2#天平校准重复性精度分别为0.7%（1#）和0.4%（2#），非线性度分别为0.6%（1#）和0.4%（2#）。

图 5 天平校准结果Fig. 5 Balance calibration result

双天平同时校准的结果如表4所示，从表中可以看出，当施加载荷大于5 kg时根据2个天平输出电势计算出来的载荷与施加载荷之间的误差均在1.00%以内，说明使用双天平同时测量能够反映出模型所受的载荷情况。

表 4 双天平校准结果Table 4 Calibration result with two balances

3 风洞试验

在FD-14A激波风洞中采用设计的压电式推力测量天平进行超燃冲压发动机推力测量试验，试验模型长为3 m，质量为260 kg。由于试验模型较长，在风洞试验时，采用背部支撑（进气道向上）的方式进行测量，在试验模型背部前后相距0.65 m的位置安装2个天平，在天平的下方用支撑柱将试验模型安装在风洞试验段的平台上，试验模型迎角为0°。在风洞试验中，使用空气作为试验气体，分别在喷注燃料（氢气）和不喷注燃料2种状态下进行测力试验。试验时，风洞来流马赫数为9.21，单位雷诺数为1.27×10m，总温为3 499 K，总压为30.44 MPa，燃料喷注的当量比为1。

试验得到2种状态下的天平输出发动机阻力曲线如图6所示。从图中可以看出：不喷注燃料时天平输出的发动机阻力大于喷注时，最大差值约220 N，说明在本次试验条件下，燃烧降低了作用在模型上的阻力。

图 6 风洞试验结果Fig. 6 Thrust test result in shock tunnel

4 结 论

通过本研究工作，得到如下的结论：

1）本文设计了单分量推力测量天平，有限元评估和校准结果均表明：天平的主分量灵敏度较高，其他分量对主分量的干扰较小。

2）在激波风洞中进行了超燃冲压发动机推力测量，结果表明：使用压电天平可测量出在不同试验条件下作用在超燃冲压发动机上推力的大小。

本文设计的压电式推力测量天平可在激波风洞毫秒级有效试验时间内实现模型质量为百千克级超燃冲压发动机的推力测量，可为我国高马赫数超燃冲压发动机的研制提供技术支撑。