[发明专利]一种利用激波测量超音速弹丸飞行轨迹的方法

说明书

本发明提出一种利用激波测量超音速弹丸飞行轨迹的方法，该方法利用分布在弹丸飞行轨迹附近的压力传感器阵列获得时域的压力信号，通过与CFD相结合的数据处理方式来确定弹丸的飞行轨迹。本发明采用相对廉价的压力传感器代替原实验设备中的昂贵的拍摄站，从而实现了降低实验成本的目的，压力传感器的安装位置和密度可以根据实验要求进行布置，从而实现了扩大实验数据采集范围的初衷。此外，压力传感器在实验中的安装、调试及使用相对简单。

技术领域

本发明涉及弹道靶实验空气动力学领域，具体是一种利用超音速弹丸产生的激波来测量其飞行轨迹的方法。

背景技术

高速自由飞弹道靶是研究高速弹丸、导弹、火箭、飞船以及其他高速飞行器气动力和再入物理现象的重要地面实验设备之一，其特点是实验模型没有支架，而是处于自由飞行状态。弹丸飞行轨迹是高速自由飞弹道靶实验的重点关注对象，目前测量弹丸飞行轨迹就是由一系列测量数据推算作用在模型上的气动力，这些实验测量数据通常来自于模型沿靶室纵向飞行过程中，通过沿若干正交摄影站拍摄的照片判读获得的姿态角和线性位置，它们是飞行距离和时间的函数。

由这些数据推算作用在飞行模型上的气动力，一般有两种方法：第一种方法是考虑描述模型运动的微分方程，获得作为时间或距离函数的位置和角度的近似解，然后利用这些近似解去拟合实验数据，进而求得实验模型的气动力特性。这种方法在数学上存在问题，因为微分方程是高度非线性的，一般不可能得到精确解。第二种方法是曲线拟合模型位置数据，并两次微分拟合的曲线来获得相应的加速度，然后通过牛顿定理反推作用在模型的气动力和力矩。第二种方法在数学上是严谨的，但要求有很精确的实验数据。一般来说，弹道靶实验数据主要来自于正交拍摄站拍摄的照片信息，然而，拍摄站由于其高昂的价格在实验段安装的数量有限，这也就限制了实验数据采集的范围，尤其是针对超高速、飞行距离长的实验，数据采集范围的问题就更加突出。发射管内表面的直线度和粗糙度达不到要求，还会导致模型在空间上很难达到预期的位置和姿态，从而增加了实验数据的采集难度、影响实验数据的精度。此外，由底片测量模型位置和姿态角引起的误差也会降低实验数据的精度和可靠性。

发明内容

为了克服现有高速弹道靶实验中成本高、数据采集范围小和采集难度大的问题，本发明提出了一种利用激波测量超音速弹丸飞行轨迹的方法，该方法采用的实验装置为：在高速弹道靶实验中，设置两块长方形压力传感器阵列(平面)，每块传感器阵列上纵横均匀、整齐地布置(两排以上)压力传感器，每个压力传感器与数据采集设备相连。该设备能够记录所有测压点处压力脉动信号，然后将这样两块压力传感器阵列沿弹丸飞行方向正交的布置于靶室内实验段，实验开始时启动压力传感器和数据采集设备。本发明的方法是利用该装置分布在弹丸飞行轨迹附近的压力传感器阵列获得时域的压力信号，通过与CFD相结合的数据处理方式来确定弹丸的飞行轨迹，从而达到降低实验成本、扩大实验数据采集范围的目的。

本发明的技术方案为：

所述一种利用激波测量超音速弹丸飞行轨迹的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：实验弹丸被模型发射器加速到超音速状态后进入实验段；实验段的两块沿弹丸飞行方向正交布置的压力传感器阵列采集超音速弹丸经过实验段时产生激波而带来的压力脉动信号；

步骤2：根据沿弹丸飞行方向相邻的两个压力传感器之间的距离Δs和所述两个压力传感器脉动压力波峰出现的时刻t₁,t₂，得到超音速弹丸经过所述两个压力传感器区间的飞行速度为ν＝Δs/(t₂-t₁)；

步骤3：重复步骤2，得到实验段中沿弹丸飞行方向上所有相邻两排压力传感器区间对应的超音速弹丸飞行速度；

步骤4：根据步骤3得到的超音速弹丸经过沿弹丸飞行方向上所有相邻两排压力传感器区间的飞行速度、超音速弹丸几何外形和实验段流场环境，通过CFD方法模拟超音速弹丸在每个飞行速度下的流场，并从流场中提取激波外形的几何数据曲面Ω；