[发明专利]一种模型表面摩阻测量装置

说明书

本发明提供一种模型表面摩阻测量装置，所述测量装置包括摩阻天平主体、测量头、压电片、保护套底座、保护套上盖和隔热挡圈。测量头固定连接在摩阻天平本体上，压电片粘贴在摩阻天平本体的力敏梁上，保护套底座和保护套上盖固定连接在摩阻天平本体的外部，保护摩阻天平本体的力敏梁结构，隔热挡圈安装在保护套底座和保护套上盖之间，用于隔离高温的试验气流。

技术领域

本发明涉及一种测量由于高超声速气流的粘性作用在飞行器模型表面的摩阻的测量装置，用于在高超声速脉冲风洞试验中测量气流作用在飞行器模型表面的摩阻。

背景技术

飞行器模型表面摩阻测量在飞行器布局研究、减阻、结构及部件优化、流动控制、CFD验证确认等方面都具有较高的应用价值。精确测量摩阻对提高飞行器的性能以及全面了解表面流动现象都具有重要的作用。通常在高焓脉冲型的风洞设备（如膨胀管风洞、激波风洞等）中大多采用摩阻天平测量飞行器模型表面的摩阻，使用的摩阻天平包括压电式摩阻天平、应变式摩阻天平以及光纤摩阻天平等。

Rodney D. W. Bowersox and Joseph A. Schetz, Skin friction Gauges forHigh Enthalpy Impulsive Flows, AIAA 93-5079，描述了一种在高焓脉冲设备上直接测量三维湍流附面层内摩阻的传感器，该传感器采用悬臂梁结构。

世界知识产权组织在2003年3月27日公布了发明人为ZISK Edward J. Jr；BUSSEAR Terry R.，公布号为WO2010104518A1“流体摩阻传感器和方法”的专利，该专利介绍了主要用于管道摩阻测量的摩阻传感器以及信号解调器和测量方法，该传感器采用浮动测量头和悬臂梁的形式，使用应变计电桥作为摩阻传感器的敏感元件，主要用于管道流体的摩阻测量。

上述摩阻天平结构的共同点是采用悬臂梁结构，在悬臂梁的上部有一个可移动的测量头测量作用在模型表面的摩阻，为了保证测量头的可移动特性，在测量头和模型本体之间留有间隙。但是，由于间隙的存在，会破坏模型表面流场的细微结构，从而对摩阻测量的结果产生影响。

T. B. Silvester and R. G. Morgan, Skin-Friction Measurements and FlowEstablishment With in a Long Duct at Superorbital Speeds, AIAA JOURNAL Vol.46, No. 2, February 2008，介绍了在澳大利亚昆士兰大学X3膨胀管上进行的超燃冲压发动机进气道流场建立以及摩擦阻力测量方面的研究。他们研制的摩阻传感器采用剪切型的压电陶瓷片作为摩阻天平的敏感元件。摩阻天平在进行摩阻测量时，作用在测量头表面的不仅有摩阻，还有试验气流的压力作用，压力会干扰摩阻测量的结果。在该试验中，通过在同一状态正向和反向安装摩阻天平的方法来抵消作用在摩阻测量头上的压力对测量结果造成的干扰。虽然这种方法能够有效抵消压力带来的干扰，但是不能抵消由于压力分布的非均匀性造成的附加力矩对摩阻测量结果的干扰。

发明内容

本发明的目的是提供一种模型表面摩阻测量装置，用于测量高超声速脉冲设备中模型表面的摩阻，在模型表面摩阻测量装置的设计中，采用压电片作为敏感元件，利用压电片的方向选择性来抵消作用在模型表面摩阻测量装置测量头上的非均匀压力带来的力和力矩对摩阻测量结果的干扰。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明的模型表面摩阻测量装置，包括：

摩阻天平主体、测量头、压电片、保护套底座、保护套上盖和隔热挡圈；

摩阻天平本体由底座、力敏梁组成，在底座上设有与保护套底座连接的销钉孔和将信号线引出模型表面摩阻测量装置的引线孔，压电片粘贴在力敏梁的两侧，在摩阻天平本体头部设有测量头安装槽；