[科普中国]-再入风洞试验

简介

再入航天器的返回过程就是指再入航天器脱离原来的运行轨道，再入到地球大气层并在地面安全着陆的的过程，在航空航天领域具有重大意义。目前国内外通常采用风洞试验来研究返回舱的动稳定特性。其中，就包括再入的试验。

背景对于载人飞船返回舱等再入飞行器来说，其长细比和升阻比都比较小，如“联盟”、“双子星座”、“阿波罗”等，其 升 阻 比 为0.1～0.5，长 细 比 为0.88～1.53。而对于小升阻比载人返回飞行器的再入流谱比较复杂，在配平攻角下，迎风区一般为附着流，背风区和底部一般为分离流区，绕流流场内存在驻点区、亚声速流区、超声速流区、无粘激波层、粘性混合区、尾涡区、头激波、尾激波和压缩波、边界层等。这些流谱对载人返回飞行器表面的压力分布有直接影响，而压力中心的位置会影响飞行器的配平攻角及稳定性。

对于小升阻比飞行器，压心的位置对飞行器性能影响较大，如减小压心位置调整系数对末制导炮弹的捕获区域的增大有利；准确地确定弹体压心位置是编制高精度射表的前提条件之一；质量矩控制对飞行器对压心最大容许偏差范围也提出了更高的要求，等等。

再入风洞试验内容1）质心位置对配平攻角和动导数试验结果影响很大，因此在模型加工和设计时必须保证质心位置与真实质心尽可能一致；

返回舱的短钝体外形特征，质心位置是影响运动稳定性的主要偏差因素之一，它会直接影响配平攻角值和动导数值。返回舱的气动配平状态,是指绕返回舱质心的俯仰力矩系数为0时的状态，这时所对应的俯仰角度定义为配平攻角 αt。为了便于再入姿态控制，返回舱的质心一般适当地偏离几何轴，以提供配平攻角并产生升力，改变阻力，提高机动性能。

风洞试验时，通过一系列偏心衬套，将模型与弹性铰链相连。通过更换偏心不同的偏心衬套，由三坐标仪实时测量弹性铰链中心（振动中心）与模型的质心偏差，直至二者完全重合。

地面风洞试验时，质心位置不但对配平角影响很大，也会直接影响试验结果。

2）返回舱尾部会产生分离流动，形成回流区，尾部迎风面与背风面造成压差而形成附加后体力，加大试验支撑系统的干扰，有可能改变阻尼性质；

在地面风洞试验中，为避免激波干扰，多采取尾支撑的方式将模型支撑在风洞中。由于返回舱尾流对动稳定性影响较大，支杆的存在往往会改变尾流，从而改变试验结果，在大攻角下支杆对返回舱动稳定性的影响更加明显。

3）短钝外形在亚跨超声速区域可能出现极限环运动，从而影响返回舱的动稳定特性试验结果1。

自由振动动稳定试验，可以直接获取失稳边界。在大部分稳定区域，返回舱受到小扰动后，其振幅会逐渐减小直至趋向平衡状态，这时可以获取飞行器动稳定导数。动稳定导数绝对值越大，其阻尼值越大，越稳定；但在部分马赫数和攻角下，尤其是在配平攻角下，返回舱出现了失稳，出现两种运动形式发散振动极和极限环振动。发散失稳状态下，通过控制系统可能已经不能达到增稳的目的，应该尽量避免在该状态下飞行，而小角度极限环振动，即当返回舱受到一个小扰动时，会逐渐发展成为以某个角度θ为幅值的正弦等幅振动，当扰动引起的角位移大于θ时，会自动收敛到θ角，当扰动的角位移小于θ时，会很快发散到θ角并等幅振动，对再入有很大的影响。