劉祥，熊健，黃輝，李永紅，黃勇，王紅彪，陳植

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所，綿陽 621000

風(fēng)洞試驗(yàn)中模型表面壓力分布測量是了解飛行器氣動(dòng)性能的最基本手段之一，是飛行器總體和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)載荷分布預(yù)測和強(qiáng)度校核不可或缺的試驗(yàn)技術(shù)。傳統(tǒng)壓力測量方法以在模型表面布設(shè)測壓孔，通過管路連接壓力傳感器來測量物面壓力的方式為主，該方法具有空間分辨率低、模型機(jī)加復(fù)雜、薄部件難以布置測壓孔等諸多工程使用局限。壓敏漆(PSP)測壓技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展的一種光學(xué)測壓方法，該方法利用高分子有機(jī)物的光致發(fā)光特性和氧分子對(duì)激發(fā)態(tài)探針分子去活的“氧猝熄”效應(yīng)，以適當(dāng)波長的激發(fā)光照射布滿含有探針分子壓敏涂料的受測物面，由光強(qiáng)采集設(shè)備捕捉涂層表面灰度圖像，經(jīng)過圖像處理和灰度與壓力轉(zhuǎn)換，獲得受測物面的壓力分布。該技術(shù)以非侵入的方式獲得物面高分辨率壓力圖譜，能夠更加直觀、全面、準(zhǔn)確地反映受測物面的壓力分布和流場結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)和避免了傳統(tǒng)壓力測量方式的固有缺陷和不足，體現(xiàn)出不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。Peterson 和Fitzgerald 于20世紀(jì)80年代率先演示了基于高分子聚合物涂料發(fā)光氧猝滅效應(yīng)的表面流動(dòng)顯示技術(shù)，揭示了利用氧傳感器進(jìn)行表面壓力測量的可能性[1]。此后，壓敏漆技術(shù)在國際空氣動(dòng)力學(xué)和航空航天領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注和深入研究[2-7]。目前，歐美各國和日本對(duì)于壓敏漆測壓技術(shù)的工程應(yīng)用研究已十分成熟，并在國外各大生產(chǎn)型風(fēng)洞中建立了相應(yīng)的測量系統(tǒng)。國內(nèi)對(duì)于壓敏漆測量技術(shù)的研究已處于工程應(yīng)用及自主發(fā)展階段，相繼構(gòu)建了壓敏漆測壓系統(tǒng)并對(duì)測量技術(shù)開展了研究探索[8-18]。

目前，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心在其所屬的2.4 m跨聲速風(fēng)洞中已經(jīng)建立了PSP測量系統(tǒng)并得到了成功應(yīng)用，但該系統(tǒng)體積較大，無法用于0.6 m量級(jí)的小風(fēng)洞中。同時(shí)，為了檢驗(yàn)PSP技術(shù)的測量精準(zhǔn)度，需要將PSP與壓力傳感器結(jié)果進(jìn)行比較，試驗(yàn)時(shí)需嚴(yán)格確保兩者測量的同步性。為了填補(bǔ)0.6 m量級(jí)高速風(fēng)洞PSP測量技術(shù)的空白，使之滿足高精度、高分辨率表面壓力測量的需求，本文基于小型化設(shè)備，在解決了PSP與壓力傳感器同步測量的問題后，建立了0.6 m 亞跨超聲速風(fēng)洞PSP系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于激波控制鼓包機(jī)翼模型的表面壓力測量中，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)鼓包激波控制的效果，并詳細(xì)研究了PSP涂料噴涂影響、圖像濾波效果和系統(tǒng)測量穩(wěn)定性及精準(zhǔn)度等技術(shù)細(xì)節(jié)。

1 研究模型與風(fēng)洞

研究模型為后掠角20°、弦長0.2 m的機(jī)翼測壓鋼質(zhì)模型，共兩套：基本外形和激波控制鼓包外形(如圖1所示)，噴涂壓敏漆后的模型如圖2所示。兩種外形的基本尺寸相同，均為層流翼型，翼型最大厚度為10%弦長，位于45%弦長處，最大彎度為1.3%弦長，位于50%弦長處。鼓包外形在基本外形基礎(chǔ)上沿展向均勻布置一組圓形鼓包，鼓包最大高度為0.7%弦長，位于65%弦長處。此外，在模型展向50%位置布置了測壓點(diǎn)，文中稱該位置為典型剖面，利用常規(guī)壓力傳感器測量測壓點(diǎn)壓力并與壓敏漆試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)壓敏漆系統(tǒng)的測量精準(zhǔn)度。

圖1 研究模型Fig.1 Research mode

圖2 噴涂PSP的模型Fig.2 Sprayed model with PSP

基于中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速空氣動(dòng)力研究所FL-21風(fēng)洞建立了PSP測量系統(tǒng)。該風(fēng)洞是一座半回流暫沖式亞跨超三聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段長1.775 m，橫截面為0.6 m×0.6 m的正方形，上下壁板可更換，左右壁板固定。超聲速試驗(yàn)段四壁均為實(shí)壁，亞跨聲速試驗(yàn)段左右為實(shí)壁，上下壁板為開60°斜孔的開孔壁，試驗(yàn)段模型區(qū)開孔率可在2.4%～7.6%范圍變化。試驗(yàn)研究在四壁為實(shí)壁的試驗(yàn)段內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)前對(duì)實(shí)壁跨聲速洞體進(jìn)行了流校，對(duì)洞體參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，并專門編寫調(diào)試了開車控制程序，流校結(jié)果表明亞跨聲速流場馬赫數(shù)均勻性和梯度均滿足國軍標(biāo)要求。模型及PSP系統(tǒng)在風(fēng)洞中的安裝照片見圖3。

圖3 模型及PSP系統(tǒng)安裝位置Fig.3 Installation position of model and PSP system

2 PSP測量系統(tǒng)構(gòu)建

建立的PSP系統(tǒng)由涂料、噴涂與固化系統(tǒng)、校準(zhǔn)系統(tǒng)、光源及采集系統(tǒng)、同步控制器和圖像后處理軟件組成。涂料為FIB雙組份壓敏漆，激發(fā)光為波長405 nm的藍(lán)光，發(fā)射光由兩個(gè)波長光構(gòu)成，壓力光為650 nm紅光，參考光為550 nm綠光。該壓敏漆具有較高的壓力靈敏度(0.7%/kPa)與較低的溫度靈敏度(0.05%/℃)，壓力測量范圍為5～200 kPa，工作溫度范圍為0～50 ℃。涂料噴涂與固化系統(tǒng)主要由模型表面處理設(shè)備、涂料配制系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)、固化系統(tǒng)以及噴涂檢測儀器組成。校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由光學(xué)平臺(tái)、壓力/溫度校準(zhǔn)艙、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力/溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像采集與后處理系統(tǒng)、光源與CCD組成，靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見圖4，圖5為壓力/溫度校準(zhǔn)艙。激發(fā)光源為LM2XX-DM，由陣列式LED發(fā)光二級(jí)管構(gòu)成，水冷，有連續(xù)照射、脈沖照射兩種模式，輸出功率為8～12 W，發(fā)光主峰為400 nm，光功率輸出穩(wěn)定性為0.1%/h，具有良好的穩(wěn)定性及較長的使用壽命，光源如圖6所示。相機(jī)ISSI-CCD-C為14位科學(xué)級(jí)彩色CCD相機(jī)，分辨率為1 600×1 200 像素，帶背板制冷，配備的鏡頭有8 mm、50 mm、75 mm定焦鏡頭及9.5～152 mm變焦鏡頭,本項(xiàng)試驗(yàn)研究中采用8 mm鏡頭和600 nm高通濾鏡，相機(jī)如圖7所示。試驗(yàn)圖像后處理軟件可完成標(biāo)記點(diǎn)識(shí)別、背景圖像扣除、圖像平均、圖像比運(yùn)算、圖像配準(zhǔn)、圖像濾波和壓力圖譜運(yùn)算及顯示等二維圖像處理。

圖4 PSP校準(zhǔn)系統(tǒng)Fig.4 PSP calibration system

圖5 壓力/溫度校準(zhǔn)艙Fig.5 Pressure/temperature calibration cell

圖6 LM2XX-DM水冷光源Fig.6 LM2XX-DM water cooling light source

圖7 ISSI-CCD-C彩色CCD相機(jī)Fig.7 ISSI-CCD-C color CCD camera

3 PSP與壓力傳感器的同步策略

為了解決PSP與壓力傳感器的同步測量問題，需要設(shè)計(jì)同步采集策略。具體策略為，啟動(dòng)風(fēng)洞，待流場穩(wěn)定后，由風(fēng)洞測控系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，同步觸發(fā)器(PSG)接收信號(hào)后，同步發(fā)出三路信號(hào)，分別供給光源、相機(jī)控制器和9016掃描閥，以便分別控制光源開啟、相機(jī)采集和壓力傳感器采集。PSG采集時(shí)序設(shè)置為每次車30個(gè)周期，每個(gè)周期500 ms，PSG收到觸發(fā)信號(hào)后光源開啟延遲5 ms，相機(jī)采集延遲150 ms，9016掃描閥采集延遲150 ms。相機(jī)延遲大于光源延遲，保證了光源激發(fā)后再進(jìn)行圖像采集的正確時(shí)序，掃描閥與相機(jī)延遲一致，保證了PSP與壓力傳感器的同步測量。在相機(jī)曝光周期內(nèi)選擇掃描閥采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，平均后的掃描閥測量數(shù)據(jù)序列與曝光圖像序列可實(shí)現(xiàn)同步對(duì)應(yīng)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于所建立的0.6 m風(fēng)洞PSP系統(tǒng)，本文研究了涂料噴涂影響、濾波方法、系統(tǒng)測量穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，并對(duì)激波控制鼓包的試驗(yàn)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

4.1 噴涂對(duì)表面壓力的影響

涂料噴涂會(huì)給模型表面粗糙度和厚度帶來一定改變，為了弄清這種改變對(duì)表面壓力分布的影響，需要對(duì)模型噴涂前后壓力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

由于本期模型噴涂質(zhì)量不佳，在測壓孔附近出現(xiàn)涂料堆積(見圖8)，烘烤固化時(shí)在部分測壓孔位置處落入異物(見圖9)，造成了表面粗糙度的極大改變。圖10為基本外形馬赫數(shù)0.73、迎角0°狀態(tài)下，噴涂前后典型剖面測壓孔位置壓力傳感器結(jié)果的壓力系數(shù)Cp曲線?？梢钥闯觯瑖娡壳扒€較為光滑，激波前負(fù)壓峰值范圍較寬，噴涂后，由于噴涂質(zhì)量不佳，在負(fù)壓峰值以前部位的測壓孔附近出現(xiàn)涂料堆積和落入異物的情況，導(dǎo)致該區(qū)域的壓力數(shù)據(jù)跳動(dòng)很大，峰值范圍較窄，鼓包外形的負(fù)壓雙峰消失，噴涂質(zhì)量不佳使得激波位置和形態(tài)變化較大，從而極大影響了波后的壓力分布。鑒于翼型前部壓力傳感器測壓數(shù)據(jù)跳動(dòng)較大的情況，本文后續(xù)只以負(fù)壓峰值后的測壓孔數(shù)據(jù)來評(píng)判PSP測量的精準(zhǔn)度。

圖8 噴涂造成測壓孔處的涂料堆積Fig.8 Local coating accumulation existing in pressure taps position

圖9 烘烤固化時(shí)部分測壓孔處落入異物Fig.9 Foreign body existing in pressure taps position

圖10 表面噴涂PSP對(duì)壓力系數(shù)的影響Fig.10 Impact of PSP coating layer on surface pressure coefficient

4.2 圖像濾波方法

相機(jī)噪聲、光源強(qiáng)度微弱波動(dòng)等不確定因素會(huì)帶來PSP測量圖像的弱噪聲，尤其是本文試驗(yàn)中噴涂質(zhì)量不佳，使得壓力波動(dòng)較大，需要進(jìn)行消噪平滑處理。PSP圖像后處理中通過圖像濾波進(jìn)行消噪平滑，研究中采用高斯濾波，濾波窗口大小和迭代次數(shù)決定了濾波效果。通常來說，濾波窗口越大、迭代次數(shù)越多，消噪效果越佳，壓力分布越平滑，但同時(shí)會(huì)消弱峰值和突變區(qū)域的真實(shí)性，所以濾波參數(shù)要慎重選取。

圖11是基本外形上表面典型剖面位置處不同濾波窗口大小的PSP壓力系數(shù)對(duì)比曲線，迭代次數(shù)均為1次，窗口直徑分別為3像素、5像素和8像素?？梢钥闯?，5像素與3像素的濾波效果相當(dāng)，翼型前部和后部壓力波動(dòng)仍較大，8像素曲線濾波效果較好，極大改善了波動(dòng)區(qū)域的壓力跳動(dòng)，同時(shí)對(duì)吸力峰值幾乎沒有削弱。

圖11 不同窗口大小的濾波效果Fig.11 Filtered effect of different filter window sizes

8像素曲線整體光滑度較好，但在翼型后部區(qū)域中，仍存在跳動(dòng)略大的情況，可通過增加迭代次數(shù)進(jìn)一步減小壓力波動(dòng)。圖12為基本外形典型剖面不同迭代次數(shù)的PSP壓力系數(shù)對(duì)比曲線，濾波窗口均為8像素，迭代次數(shù)分別為1次、3次和5次?？梢钥闯?，迭代3次明顯削弱了翼型后部區(qū)域的壓力波動(dòng)，曲線更加光滑，且對(duì)吸力峰幾乎沒有削弱，迭代5次的平滑效果與迭代3次差異不大，但對(duì)于吸力峰的削弱稍強(qiáng)。

圖12 不同迭代次數(shù)的濾波效果Fig.12 Filtered effect of different filtering iteratives

采用8像素窗口、迭代3次的高斯濾波方法可極大改善波動(dòng)區(qū)域的壓力跳動(dòng)，同時(shí)對(duì)吸力峰值幾乎沒有削弱，消噪平滑效果較好。

4.3 PSP系統(tǒng)測量穩(wěn)定性

PSP試驗(yàn)測量結(jié)果的穩(wěn)定性是工程應(yīng)用的重要指標(biāo)，本文通過PSP試驗(yàn)重復(fù)性結(jié)果來考核0.6 m 風(fēng)洞PSP系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性，重復(fù)性包括不同車次重復(fù)性和同一車次不同剖面重復(fù)性兩種。

圖13為Ma=0.73、迎角0°條件下，基本外形不同車次PSP和壓力傳感器壓力系數(shù)重復(fù)性曲線，因?yàn)閲娡抠|(zhì)量不佳，壓力傳感器曲線在翼型前部波動(dòng)較大，文中只給出后部壓力系數(shù)曲線?？梢钥闯?，大部分區(qū)域的PSP測量值重復(fù)性良好，但在前后緣的局部位置處誤差略大，壓力傳感器重復(fù)性結(jié)果也反映了同樣的趨勢，說明該位置PSP測量重復(fù)性誤差主要是真實(shí)壓力分布變化造成的，與測量系統(tǒng)自身穩(wěn)定性無關(guān)。

圖13 PSP和壓力傳感器壓力系數(shù)重復(fù)性曲線Fig.13 Pressure coefficient repeatability curves of PSP and pressure sensor

圖14為Ma=0.73、迎角0°條件下，基本外形不同弦向剖面PSP壓力系數(shù)重復(fù)性曲線，3個(gè)剖面的展向位置分別為38%、50%和62%機(jī)翼展長。可以看出，3個(gè)剖面的壓力系數(shù)重復(fù)性較好，偏差基本在0.02以內(nèi)，說明0.6 m風(fēng)洞PSP系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性較高。

圖14 不同剖面PSP壓力系數(shù)重復(fù)性Fig.14 PSP pressure coefficient repeatability of different sections

4.4 PSP系統(tǒng)測量精準(zhǔn)度

參考國外通用處理方法[19]，以同一車次中所有測壓孔處PSP與壓力傳感器的測量均方根(RMS)差量來衡量該車次PSP整體測量誤差。即

(1)

圖15 PSP與壓力傳感器壓力系數(shù)對(duì)比曲線Fig.15 Pressure coefficient contrast curves of PSP and pressure sensor

表1 PSP與壓力傳感器測量均方根偏差Table 1 RMS deviations between PSP and pressure sensor

4.5 設(shè)計(jì)鼓包的激波控制效果

鼓包的設(shè)計(jì)狀態(tài)為馬赫數(shù)0.73、迎角0°。為了檢驗(yàn)鼓包在設(shè)計(jì)狀態(tài)和稍偏離設(shè)計(jì)馬赫數(shù)狀態(tài)下的激波控制效果，分別在設(shè)計(jì)狀態(tài)(馬赫數(shù)0.73、迎角0°)及兩個(gè)稍偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)(馬赫數(shù)0.74、迎角0°和馬赫數(shù)0.75、迎角0°)下進(jìn)行了機(jī)翼上表面PSP壓力測量。圖16為不同狀態(tài)下壓敏漆試驗(yàn)所獲得的機(jī)翼上表面鼓包外形減去基本外形的壓力系數(shù)差量(ΔCp)圖譜，其中，綠色圓形區(qū)域?yàn)楣陌恢?，紅色帶狀區(qū)域?yàn)槲Ψ逯祬^(qū)域。圖17為不同狀態(tài)下，基本外形和鼓包外形50%展向位置典型剖面壓力系數(shù)分布對(duì)比?？梢钥闯觯谠O(shè)計(jì)狀態(tài)下，上翼面吸力峰位置緊靠鼓包前部，與基本外形相比，設(shè)計(jì)鼓包使得吸力峰降低(圖16中紅色區(qū)域)，從而減弱了激波強(qiáng)度，鼓包區(qū)域負(fù)壓略微增大，但量值極小，兩種外形在鼓包的間隔區(qū)域中壓力系數(shù)相當(dāng)，鼓包有效減弱了吸力峰負(fù)壓，降低了激波強(qiáng)度和波阻，又對(duì)吸力峰前后壓力影響很小，保證了機(jī)翼的升力不降低，從而可以有效提高機(jī)翼的升阻比。在稍偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)下，設(shè)計(jì)鼓包同樣降低了上翼面吸力峰，減弱了激波強(qiáng)度和波阻，吸力峰值減弱程度略小于設(shè)計(jì)狀態(tài)。緊靠鼓包后的小范圍區(qū)域內(nèi)壓力略有增加，但整個(gè)上翼面產(chǎn)生的升力與基本外形相差很小，說明在稍偏離設(shè)計(jì)馬赫數(shù)狀態(tài)下鼓包仍能提高機(jī)翼的升阻比。

圖16 鼓包外形與基本外形上表面壓力系數(shù)差量圖譜Fig.16 Differential pressure coefficient distributions of bump wing and original wing

圖17 基本外形和鼓包外形典型剖面壓力系數(shù)分布Fig.17 Pressure coefficient distribution of bump wing and original wing at typical section

利用發(fā)展的FL-21風(fēng)洞PSP系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)狀態(tài)和稍偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)下研究了設(shè)計(jì)鼓包的激波控制效果及其對(duì)上翼面壓力分布和升力特性的影響。研究結(jié)果表明在不同狀態(tài)下，設(shè)計(jì)鼓包能夠有效降低上翼面吸力峰，減弱激波強(qiáng)度，同時(shí)鼓包區(qū)域的負(fù)壓增加，彌補(bǔ)了吸力峰降低造成的升力損失，使得機(jī)翼升力改變很小，從而有效提高機(jī)翼升阻比。

5 結(jié) 論

本文建立了0.6 m量級(jí)三聲速風(fēng)洞PSP系統(tǒng)，解決了各分系統(tǒng)的同步控制測量問題，研究了涂料噴涂影響、圖像濾波、測量精準(zhǔn)度和系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)細(xì)節(jié)，并成功應(yīng)用于激波控制鼓包機(jī)翼模型的表面壓力測量中，檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)鼓包在設(shè)計(jì)狀態(tài)和稍偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)下的激波控制效果及其對(duì)上翼面壓力分布和機(jī)翼升力特性的影響。

研究結(jié)果表明：涂料噴涂質(zhì)量不佳造成的表面粗糙度和厚度變化會(huì)顯著影響表面壓力分布，噴涂質(zhì)量需嚴(yán)格控制。窗口直徑8像素迭代3次的高斯濾波對(duì)壓力波動(dòng)的平滑效果較好且不會(huì)失真。建立的PSP系統(tǒng)測量穩(wěn)定性較好，與壓力傳感器的壓力系數(shù)測量均方根偏差在0.022以內(nèi)，壓力均方根偏差小于620 Pa，測量精準(zhǔn)度較高，達(dá)到了工程使用的要求。設(shè)計(jì)鼓包在設(shè)計(jì)狀態(tài)及稍偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)下，均能夠有效減弱激波強(qiáng)度，保證機(jī)翼升力變化很小，從而提高機(jī)翼的升阻比。