超音速下压力分布测量飞行试验研究
西奥多·冯·卡门
▲1915-1918年，奥匈帝国军队的服役中止了他在亚琛工业大学设计早 期直升机的生活，最终他与1930年离开亚琛工业大学。移民美国和喷气 动力试验室
1908年的一天，冯·卡门亲眼目睹了法尔芒又一次打破记录的飞行。飞行 结束后，冯·卡门从人群中挤过去，与飞行家之间有过一段精彩的对话。
明了比空气重的东西是绝对飞不起来的，怎么……”。法尔芒幽默 地回答：“是那个研究苹果落地的人吗？幸好我没有读过他的书， 不然，今天就不会得到这次飞行的奖金了。我只是个画家、赛车手， 现在又成了飞行员。至于飞机为什么会飞起来，不关我的事，您作 为教授，应该研究它。祝您成功，再见！”在回家的路上，冯·卡 门坐在疾驶的车里久久地沉思。他对陪他一起来的一位记者说： “看来伟人的话也不一定都对。现在我终于决定我今后的一生该研 究什么了。”冯·卡门拉住记者的手伸出车窗外，立刻有一股风吹 过手面，他说：“我要不惜一切努力去研究风以及在风中飞行的全 部奥秘。总有一天我会向法尔芒讲清楚他的飞机为什么能上天的道 理的。”正是这次参观把冯·卡门引上了毕生从事航空航天气动力 学研究的道路。冯·卡门问法尔芒：“我是研究科学的。有一位伟 大的科学家用他的定律证
中后期生活
▲1944年6月，冯·卡门在纽约市做了肠癌手术。手术引起2处疝 气，使得冯·卡门恢复得缓慢，大约九月中旬返回帕萨迪那。此前 的九月初他还在纽约的时候，他和美国空军司令亨利·阿诺德将军 在拉瓜迪亚机场跑道上会面。阿诺德将军建议他搬到华盛顿特区 领导科学咨询团，并成为军方的长期计划顾问。▲1944年19月23 日，冯·卡门得到这一任命，并在该年12月离开加州理工。▲ 81岁 时，冯·卡门成为首个美国国家科学奖章获得者，在白宫由约翰·肯 尼迪总统颁奖。获奖理由为“他在航空动力学的科学与工程基础 的领导才能”、“在力学各方面的有影响力的教学和相关贡献以 及对于美国军队杰出的帮助”以及“对于国际科学工程合作的促 进”。▲1963年，他去世在去亚琛的路上，并葬在帕萨迪娜。 ▲他终生未婚。 冯·卡门的名望源于他用数学工具来研究流体流动， 并通过解释那些接过来指导实际设计。他在认识到现代喷气飞机 中普遍存在的后掠翼的重要性方面起到重要作用。
超音速翼型气动力特性研究汇总
超音速翼型气动力特性研究摘要:本文研究方程为0.3(1)zx x =±-的轴对称超音速翼形在马赫数为2，攻角分别为0°，2°情形下的气动力特性，基于对翼型进行离散化处理得到该翼型的物理参数及气动力的近似解，并逐步减小空间步长x ∆来提高解的精度。
在步长数分别为5、20、50及攻角为0°、2°的条件下，计算求得翼型头部斜激波后的流动参数，并由此求解各分区相应参数，列出：表面压力Cp 分布曲线Cp －x ，及表面密度、温度分布曲线ρ/ρ∞-x 、T/T ∞-x 。
在不同条件下得出的轴向力Ca 、法向力Cn 、升力Cl 、阻力Cd 及绕头部顶点俯仰力矩Cm 的表格。
最终分析了编程计算的准确性与精度，分析了压力系数、温度、密度沿该翼型的分布特性，并分析了不同攻角对该翼型气动特性的影响。
问题描述已知方程为0.3(1)zx x =±- 的薄翼形，求该翼型在来流马赫数为2，攻角分别为0°，2°情形下的受力情况。
对x 范围（0，1）内分别按5等份、20等份和50等份进行离散计算，得到表面压力Cp 分布曲线Cp －x ，表面密度、温度分别曲线ρ/ρ∞、T/T ∞ 。
计算得出出轴向力Ca 、法向力Cn 、绕头部顶点俯仰力矩Cm 及升力Cl 、阻力Cd 。
计算方案:（一）计算思路：超音速来流以一定攻角遇到类似于楔形体的机翼前缘，在上下面都有可能产生附体斜激波，要是攻角过大也有可能不产生附体斜激波，这里首先需要根据斜激波的θβ-关系曲线图来作出判断。
经判断，如果顶点处产生斜激波，即使用斜激波前后的马赫数、密度、温度、压强计算公式计算出顶点斜激波后的各项物理参数。
接着，根据翼型的形状可知，气流在通过膨胀波之后会经过一系列的向外的转折角，根据普朗特-迈耶膨胀波理论，超音速气流经过每一个折角都会产生膨胀波。
根据数值计算的基本原理，计算机不能处理连续曲线上随x值变化而连续变化的折角，所以在计算之前必须对翼型的几何结构进行离散化处理。
飞机叶片流场分布
飞机叶片流场分布飞机叶片（通常指的是涡轮发动机或风扇叶片）的流场分布是指围绕叶片的空气流动特性。
这些流场特性对于飞机发动机的性能至关重要，包括其推力、效率、噪声和寿命等方面。
叶片流场的分析对于设计和优化这些发动机组件非常重要。
流场的关键特征1.层流与湍流：在叶片表面附近，流动可能从层流开始，即流线平行、流动平稳。
随着速度的增加或叶片表面的粗糙度，流动可能转变为湍流，特征是流动不稳定、有涡旋。
2.分离流：当空气流过叶片时，尤其是在叶片后缘或弯曲部分，流动可能会从叶片表面分离，形成涡旋。
这种分离会影响叶片的升力和拖曳力，进而影响整个发动机的效率。
3.激波：在高速飞行或高速气流（如超音速飞机的涡轮叶片）中，流动速度可能接近或超过音速，导致激波的产生。
激波会引起压力、温度的突变，增加阻力和热负荷。
4.压力分布：叶片的前缘通常设计为较薄的形状，以最小化流动阻力。
叶片的压力面（朝向来流方向）和吸力面（背离来流方向）会形成不同的压力分布，这对叶片的升力产生关键影响。
流场分析方法计算流体动力学（CFD）：现代飞机叶片流场分布主要通过CFD软件进行模拟和分析。
这些软件能够详细模拟流过叶片表面的复杂流场，包括速度、压力、温度分布等。
风洞实验：除了计算方法，风洞实验也是研究叶片流场分布的传统方法。
通过在风洞中测试叶片模型，可以实际观察和测量流场特性。
PIV技术：粒子图像测速（PIV）技术是一种先进的实验技术，通过跟踪流体中的微小粒子来可视化和测量流场速度。
结论飞机叶片的流场分布对其性能有着决定性的影响。
通过精确的流场分析，可以优化叶片设计，提高发动机效率，减少噪声，延长使用寿命。
随着计算和实验技术的发展，对叶片流场的理解也在不断深入，推动着航空发动机技术的进步。
空速管
总之，空速管是飞机上极为重要的测量工具。只有细心地做好维护工作，才能有效地保证动静压的探测精度， 使得其寿命长久一些；只有对动静压探头认真检查，才能保障每一个航班飞行安全。
其他
气压式高度表
升降速度表
空速管测量出来的静压还可以用来作为高度表的计算参数。如果膜盒完全密封，里面的压力始终保持相当于 地面空气的压力。这样当飞机飞到空中，高度增加，空速管测得的静压下降，膜盒便会鼓起来，测量膜盒的变形 即可测得飞机高度。这种高度表称为气压式高度表。
测量速度
空速管测量出来的速度并非是飞机真正相对于地面的速度，而只是相对于大气的速度，所以称为空速。如果 有风，飞机相对地面的速度(称地速)还应加上风速(顺风飞行)或减去风速(逆风飞行)。另外空速管测速原理利用 到动压，而动压和大气密度有关。同样的相对气流速度，如果大气密度低，动压便小，空速表中的膜盒变形就小， 所以相同的空速，在高空指示值比在低空校这种空速一般称为"表速"。现代的空速表上都有两根指针，一根比较 细，一根比较宽。宽的指针指示"表速"，而细的一根指示的是经过各种修正的相当于地面大气压力时的空速，称 为 "实速"。
取消与代替
取消
代替
空速管是飞机重要的大气数据传感器，其利用皮托管原理来精确测量飞行时的大气总压和静压，数据计算机 再通过伯努利全静压方程等计算式来换算得飞行控制所需的飞行速度、升降速度和大气压力等数据。空速管在使 用中要受到气流干扰，空速管的长度越大，前端测压口与机体的距离越远，所测量的静压就越接近大气真实静压。 因此，为提高测量精度，准确测量总压、静压，空速管轴向应尽量与气流方向平行，空速管的最佳安装位置就是 在与机身轴线相同的机头前方，数据计算机的误差修正精度、换算得的数据更容易保证。在我军装备的战斗机中， 采用机头进气方式的歼-6/7的空速管是安装在机头下，可以设置相当长的探杆，缺点是结构重量过大，对地面活 动的影响也比较多；歼-7将空速管缩短后移到机头侧面；歼-8 II和歼轰7则采用较短的机头锥空速管；苏-27/歼 -11和歼-10也是机头雷达罩前空速管，只不过利用安装位置优势缩短空速管长度。在2014年亮相的歼-10B和JF17上则是进一步取消了机头空速管，这一特点也在国外多型战斗机的新升级改型中出现。
层流翼套气动力测量飞行试验进展
层流翼套气动力测量飞行试验进展作者：张鹏程余建虎来源：《中国科技纵横》2017年第18期摘要：减阻是飞行器设计的主要目标之一。
基于层流减阻概念的层流机翼翼套气动力测量飞行试验在国外大量开展。
本文介绍了层流技术类别，回顾了国外层流翼套气动力测量飞行试验的主要研究历程及气动力测量手段的发展，分析了层流翼套飞行试验实施特点，展望了层流翼套飞行试验在新气动技术、层流翼研究、CFD/风洞与飞行试验相关性研究中的应用前景。
关键词：层流机翼；翼套；飞行试验中图分类号：V211.412 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0042-02飞机在大气层内飞行时，表面边界层流动状态分为层流和湍流两种截然不同的形式。
光滑而有序的层流摩擦阻力远低于无序涡动的湍流摩擦阻力（可以低90%）[1]。
增大机翼表面层流边界层范围，就可以减小摩擦阻力。
人们一致致力于层流边界层的控制研究，在理论和试验研究基础上提出了层流翼型设计方法。
期间形成了自然层流（NLF）、主动层流控制（LFC）和混合层流控制（HLFC）三种概念[2]。
1 层流翼套飞行试验对国外层流翼飞行试验一般都采用加装层流翼套来进行。
具不完全统计，自1934年至2013年，国外至少进行了29型飞机，90余项内容的层流翼套飞行试验，试验类型包括自然层流、主动层流控制（LFC）及混合层流控制（HLFC）。
1941年，NASA中心使用一架B-18飞机进行了层流翼套飞行试，验，在左机翼上加装了一个全弦向翼套。
翼套20%至60%弦长位置进行了层流控制改装，如图1（a）所示。
1970年左右，NASA进行了F-111/TACT自然层流翼套飞行试验。
在F-111/TACT飞机的右机翼上改装一段自然层流翼套，进行不同后掠角的跨音速自然层流翼套的压力分布及转捩测量的飞行试验，如图1（b）所示。
试验翼套采用了跨音速超临界自然层流翼型。
由于翼套设计之初未考虑横流扰动对转捩的影响，飞行试验得到的层流区并没有达到预期的结果，但是验证了该层流翼型在不同后掠角及雷诺数下其压力分布及转捩特性，并与风洞试验及理论计算的结果进行了对比[3]。
第二讲-航空科技
1964年，研制成功间谍飞机SR—71“黑鸟”高空高速战略 侦察机。速度超过3倍声速，高度超过3万米。
热障：飞机的速度达到2.2倍声速时，空气与飞机表面摩擦 产生极高的热量，足以使飞机的铝合金材料熔化。 细节：由于SR—71要突破热障，局部温度高达1000度以上， 所以飞机上的每一个东西都要重新发明。SR—71现在仍然 是速度最快的实用飞机，在飞机的技术上达到了最高境界。 1966年，获“美国国家科学勋章”。
中国未来战机想像图
（13）中国正在研究的第四代战斗机：”龙王”战斗机。
“暗剑”无人战斗机。
鹏程万里(中国最新隐身无人侦察机)
中国C919大型客机(2017年5月5日首飞成功)
（六）未来飞机：空天飞机
设计目标：2小时炸遍全球。 （1）爬升4000米，飞出大气层。 （2）利用惯性滑翔。 （3）落回4000米，再爬升。 （4）到达目的地投弹。 （5）返回大气层降落。
据说,美国正在研制一种6倍音速的高空 侦察机SR-72,2018年进入工程发展阶段.
（10）世界最先进的巡航导弹
美国“战斧”巡航导弹(白菜价:50万美元/枚, 高精度:命中误差10米左右,二次打击:中途 可改变打击目标;智能化:战区自主巡航2小时, 自主寻找打击目标.)
（11）俄罗斯T-50战斗机（苏霍伊公司，在研）
激波就是飞机在等音速或超音速飞行时,在飞机 前面形成的一层受到强烈压缩的空气层.
1941年，提出超声速飞行中机翼压力分布计算 公式: “卡门—钱学森”公式。
1963年，美国总统肯尼迪授予冯·卡门美国第一 枚“国家科学勋章”。
细节1: 布劳恩评价: “冯·卡门是航空和航天领 域最杰出的元老。远见卓识，敏于创造，精于 组织是他独具的特色。”
风洞试验
A.风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。
根据相对性原理，飞机在静止风洞实验空气中飞行所受到的空气动力，与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来，两者的作用是一样的。
但飞机迎风面积比较大，如机翼翼展小的几米、十几米，大的几十米(波音747是60米)，使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来，其动力消耗将是惊人的。
根据相似性原理，可以将飞机做成几何相似的小尺度模型，气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度，其试验结果可以推算出其实飞行时作用于飞机的空气动力。
[1]B.风洞实验原理及实验仪器一、实验目的通过参观，让学生了解风洞实验装置的构造、作用，常用的风洞实验仪器及作用，风洞实验的过程和风洞实验的原理。
二、风洞系统简介风洞作为一套完整的空气动力实验装备，其构造是较为复杂的。
按风洞实验段气流速度的大小，一般可分为：低速风洞（M≤0.3），高亚音速风洞（0.3≤M≤0.8），跨音速风洞（0.8≤M≤1.5）。
超音速风洞（1.5≤M≤4.5）。
高超音速风动（4.5≤M≤10），极高速风洞（M>10）。
1．以805实验室HG-4号超音速风洞为例，它主要由以下几部分组成：l 气源系统：由大型空气压缩机提供清洁干燥的高压空气；l 风洞本体：由高压管道、紧闭阀、快速阀、调压阀、稳定段、喷管、试验段、攻角机构、可调节超音速扩散、亚音速扩散段等组成；l 控制系统：控制系统及模型状态等；l 测量系统：测量系统系数、模型空气动力及模型转速，并作为纹影显示及摄影等，l 消音系统：降低噪音。
实验过程：空气压缩机把压缩空气打进储气瓶储存起来，压缩空气经管道流向风洞。
实验时，预给调压阀一开度，开启紧闭阀至完全打开后，开启快速阀，压缩空气经稳定段至喷管，到达试验段时已获得所需超音速流场，待稳定后测量系统工作。
最后气流经扩压段扩压向出口消音塔排去。
2．低速风洞构造、作用：低速风洞的动力由风机提供、风速可通过调整风机的转速来调节。
高超音速飞行器高空飞行气动特性研究
高超音速飞行器高空飞行气动特性研究1近空间飞行器气动特性研究1,21,23 蒋勤学叶友达卢笙(1 国家计算流体力学实验室, 北京 100083;2中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000;3北京航空航天大学宇航学院，北京 100083)高升阻比外形飞行器在高空巡航时，空气密度随高度变化，当飞行到一定高度时摘要必须考虑高空低密度效应。
在壁面区域，无滑移条件不再成立，采用滑移条件才能较好的描述，而在流动的其它区域，连续介质模型仍然成立，控制方程采用N-S方程。
本文通过在壁面考虑有滑移的壁面条件对高超声速飞行器在不同高度飞行状态进行数值模拟，并对气动力特性进行了分析。
关键词高超声速滑移条件数值模拟1、引言飞行器处于高超声速飞行时，高空的密度和压力随高度增加而降低，高马赫数，低雷诺数是周围绕流流场的主要特征。
周围流场仍然使用连续介质模型，飞行器壁面采用无滑移壁面。
但当飞行高度进一步升高，伴随着雷诺数的减小，在固壁附近连续介质假设不再成立，Kn数表现出高空低密度效应。
在此区域，分子的平均自由程变大，连续介质模型不再适用。
,的定义为分子平均自由程与流动的特征尺度L之比:,,KnL (1)KnKn,0.01Kn,0.01可以按照数的大小进行流动分区，当时，可将气体视为连续介质，当时为稀薄流区。
[2]若以雷诺数和马赫数判断时，流动分区为: ReM,,连续流区M,,0.01Re, (2) 滑流区M,0.01,,1Re, (3) 过渡流区MM,,,10,,1ReRe,, (4) 自由分子流区, 基金项目:国家自然科学基金资助项目(90505016，10321002)M,,10Re, (5) 该效应使无滑移的壁面边界条件不再成立，壁面上将出现速度滑移和温度跳跃。
由于高空飞行雷诺数较低，流动为层流。
本文采用高超音速的升力体外形的三维绕流流场进行了数值模拟，求解了完全气体的N-S方程，对壁面采用无滑移条件和滑移条件。