高马赫数的高超音速气流的制造有多难？多次测试结果，才能有结果
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文|柳丝园a
编辑|柳丝园a
前言
目前轻气炮是将较重的炮弹加速到非常高速的装置之一。在这个研究领域，人们正在进行大量的实验研究，主要涉及高速撞击、材料对快速飞行固体颗粒的抵抗力、围绕轴对称体的超音速气流等。
这些研究与航空航天技术的发展密切相关。在这种情况下，一些枪使用了拉瓦尔喷管代替传统的加速通道，这种设计能够有效地研究高超音速绕流现象。因为实现高速抛射和高超音速气流所需的工作气体参数是一样的。
如何测试
关于高速抛投系统的参数和技术要求已经在之前的研究中被详细讨论过。自从20世纪40年代以来，全球范围内的研究人员一直在研究如何产生高超音速气流、如何测量它，以及如何在各种试验体上研究这种高速流动的性质。为了更好地理解这些现象，他们使用了数值模拟方法，这在计算机技术不断发展的背景下变得越来越重要，已经成为研究实验的重要工具。
然而要注意的是，研究高超音速气流绕过物体的实验仍然是首选方法。由于解决这些问题的重要性，飞行试验通常用于提高实验数据的真实性。通常使用Pitot-Prandtl探针来测量总压力和静压，从而计算出马赫数，但由于实验技术的复杂性，许多研究中没有进行这种测量。
在一些研究中，研究人员使用Laval喷管的几何参数来估算初始马赫数。使用Pitot-Prandtl探针测量压力以及使用热电偶测量温度会扭曲流动结构，使实验设计变得复杂，因为需要将测量设备放置在模型内部和表面。在没有流动可视化的情况下，这可能会引入不可控制的误差。
在研究高超音速流动中，一种更好的方法是使用高速摄像机作为接收器的光学方法。这些光学方法包括激光刀法、烟雾显示法和火花放电显示法。光学方法基于介质的光学和热力学性质之间的关系，如阴影法、干涉法和光谱诊断，允许精确测量高超音速流动的特性。
在某些情况下，为了测量模型表面的温度场，人们使用热敏涂层作为替代方法来进行热电偶测量。研究高速冲击和高超音速流动的诊断通常是相关的任务，这就需要建立带有光学可视化和流动诊断系统的实验装置，以便研究物体周围的高超音速流动，同时不干扰研究中的气流行为。
在大多数情况下，为了制造具有高马赫数的高超音速气流，人们通常在激波管的末端安装一个隔膜和一个拉瓦尔喷管。这种配置让热气体在反射冲击波的前端之后通过拉瓦尔喷管流入真空容器，达到高超音速的流速。
然而由于气体在这个过程中膨胀得很大，使得气体的密度变得非常低，这让流动的可视化变得更加困难。因此为了观察流动情况，可以使用一些方法来估计流动的偏转角度。在高超音速流动的研究中，通常会使用几何光学方法来分析探测光束的偏折，从而展示出流动的纹影。
经典的高超音速滑翔机是一种特殊的飞行器形状，它被设计成在特定的马赫数和流动条件下，捕捉激波产生的后流场。这种特殊的形状在飞行器底部产生高压区域，从而最大程度地提高了升阻比。一般来说，高超音速滑翔机是为了在马赫数超过5的情况下设计的。在相同的入射角下，这种特殊形状的飞行器提供了比普通飞行器更高的升阻比。但是，高超音速滑翔机的真正优势在于，为了获得相同的升力，它所需的入射角要比常规飞行器更小，这意味着它产生较低的气动阻力。
从20世纪50年代末以来，已经研发出许多不同的高超音速滑翔机形状。最近丁等人发表的评论文章中提到了许多不同形状的概述。然而，通常设计高超音速滑翔机的方法仍然是相同的，因为它们基于从标准形状产生的激波：如锥体、冯卡门弹头、楔形等。根据需要的特性，高超音速滑翔机的形状是通过将其投影到标准形状产生的激波上而生成的。这意味着高超音速滑翔机的形状只适用于特定的操作配置，尽管近期的工作已经对多个马赫数进行了优化，并通过数值模拟进行了测试。
高超音速滑翔机在高空的稀薄气流中飞行时，其外形设计必须考虑额外的气流特性。事实上，在最初定义外形时需要考虑粘性效应的影响，因为它们是可能发生的情况。特别是，气流中的粘性相互作用，无论是强还是弱，都会改变冲击波的形状。在强相互作用情况下，形成的边界层会将冲击波“推”向外部。激波和边界层之间的流体相互作用会影响边界层的发展，从而引发相互作用的现象。
冲击改变
此外随着气流的变薄，尤其是在前缘附近，冲击波会逐渐脱离原始的几何形状，导致滑翔机的上下部分之间的相互作用。由于最初位于滑翔机底部的高压“泄漏”出来，这导致升力显著减少，而高超音速滑翔机的升力效应正是由此产生的。此外，粘性阻力逐渐增加，特别是在几何形状的上部，不可避免地导致总阻力的增加。这两种影响的结合导致了L/D比的大幅降低，从而严重削弱了高超音速滑翔机的气动性能。虽然数值模拟已经证实了这些影响，但迄今为止还没有实验证明和量化这些效应的实验结果。
我们可以注意到，当马赫数约为15时，稀疏效应可能从高度为40公里的地方开始出现。简单来说，这意味着在60公里以上的高度，空气变得稀薄。这个发现是通过研究人员Rault的数值模拟得出的，他发现在高超声速滑翔机附近的气流主要处于稀薄状态，尽管用无限流条件计算的Knudsen数表明气流应该是连续的。所以，稀疏效应可能在比预期低的高度就会出现。
鉴于这些稀薄效应，上世纪80年代，马里兰大学的安德森教授进行了创新研究，创造出一种新型的高超声速滑翔机，被称为“粘性优化的浪头”。现在，国内也在研究这类乘波器，比如Liu等人的研究表明，滑翔机的形状在考虑的高度方面会显著影响其承载有效载荷的能力。
关于稀疏效应的确认和量化，据我们所知，目前只有数值模拟的结果，还没有来自风洞试验的实验数据。实际上对于高超声速滑翔机的实验研究快速总结表明，在滑移或过渡状态下的稀薄气流方面缺乏实验数据。这是因为缺少可以模拟高马赫数下这种流动状态的实验设备，同时稀薄流动的特性也使得对其进行实验测量变得困难。在关于高超声速滑翔机的研究中，只有极少数涉及中等高度，如22.5公里或30.6公里。在少数几个研究中，只包括了不允许稀疏效应显著影响高超声速滑翔机气动性能的情况，甚至更少地对其在各种流动条件下的影响进行了量化。
为了解决缺乏实验数据的问题，研究人员通常会使用相关函数来推断高空中这类车辆的空气动力学行为。这些相关性是基于旧的实验数据或者相对简化的几何形状规范。另外，这些半经验定律通常需要使用一些本地测量的参数，比如压力或者壁温。因此，利用现有的相关函数来估计高超声速滑翔机的空气动力系数，尤其是考虑到现有几何形状的多样性，可能会导致近似的结果。因此有必要建立适用于高马赫数下稀薄气流环境中的高超声速滑翔机的经验关联式。
通过研究一个缺乏实验研究的领域，我们可以获得关于复杂三维几何中的稀薄高超声速流动的更多了解。这些知识将有助于规划新型大气层再入飞行器的发展，例如用于太空机构和航空工业。特别地，高超声速滑翔机的概念也被考虑为大气层再入或者行星转移飞行器的选择，用于探索地球上的行星、气态巨行星或它们的卫星。探索这些天体并成功进行轨道控制对于太空任务来说至关重要。
稀薄效应是否能改变高空飞行的特性
本研究的主要目标是通过实验来确定稀薄效应是否会显著改变高超声速滑翔机在稀薄大气中高空飞行时的空气动力学特性。这项研究将在ICARE实验室的MARHY稀薄高超声速风洞中进行，该风洞允许模拟在100公里至60公里高度范围内的飞行条件，以覆盖不同的雷诺数和马赫数。通过对经典高超声速滑翔机在不同马赫数和Knudsen数下的气动力进行测量，研究人员将探究粘性效应与升阻比的关系。
在20世纪60年代末，随着美国开始设计航天飞机轨道器，人们开始对载人飞行器产生了兴趣。与此同时，欧洲的研究更加通用，不仅关注美国的研究方向。特别是，欧洲的努力主要集中在研究高速飞行时的空气动力学，包括高超声速条件下的升力再入以及所谓的“摇摆”器的设计和性能。
在这个背景下，乘波器的概念在1959年由农维勒提出，他将其称为“卡雷特乘波号”，并将其定义为一种三角翼。农维勒的研究中发现，当飞行器遇到冲击波时，会在底部表面产生高压，从而产生升力。乘波器的设计思想可以简要总结为：底部表面的形状由流体流动产生，而顶部表面则与自由流体流动保持对齐。
然后到了1980年代初，由于Rasmussen的研究，摇摆器的设计得到了改进。Rasmussen利用了流场中冲击波与规则几何体交互产生的升力现象。这种方法比农维勒的设计可以获得更好的性能。基于Rasmussen的方法，人们进一步优化了几何形状，提高了升力效果。这导致产生了不同类型的乘波器设计，例如各种锥形的衍生几何形状，还有锥楔形等混合变体。设计乘波器的目标是在特定的飞行条件下最大化升力和阻力的比例。然而在实际飞行中，飞行高度和速度会发生变化，超出了设计时的优化范围，这会导致空气动力学行为变得不确定。
我们研究了稀薄效应对乘波器的飞行性能的影响。为了做这个研究，我们在模拟稀薄气流的条件下，寻找了最适合实验条件的几何形状。我们所设计的几何形状是基于Rolim的设计的，他的设计是在40公里到50公里的高度和10马赫的速度范围内进行优化的。尽管我们的风洞实验模拟了50至80公里高度的条件，但我们设计的几何形状在这个范围内可能并不是最优的。
进行了在马赫2和马赫4下的实验，而Rolim的研究条件是马赫10，所以我们的实验条件与他的条件差距很大。这种差异的马赫数允许我们研究在低于预期速度的情况下乘波器的飞行特性，以及它在其设计优化范围之外的性能。乘波器的尺寸为100毫米长、35.7毫米宽、6.6毫米高，有一个大约53°的二面角。我们使用了树脂进行3D打印来制造这个乘波器，这些尺寸是根据风洞的试验区域来选择的。
结语
我们通过实验研究经典的乘波体在超音速和稀薄气流条件下在不同努森数下的性能。我们测量了在马赫数2和马赫数4以及高度从5公里到80公里的等效压力下的阻力和升力，这些实验是在Marhy风洞中进行的，该风洞可以模拟超音速运行的条件。实验结果显示，稀薄效应会导致这些乘波体的飞行性能下降，这主要是因为在稀薄流动条件下，由于粘性的影响，摩擦力增加了。