高超声速风洞模型表面摩阻测量技术研究

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4、sorsTANG,ZhigongChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenterGraduateSchoolDecember2015硕士学位论文高超声速风洞模型表面摩阻测量技术研究摘要表面摩擦阻力（简称“摩阻”）在高超声速飞行器阻力特性中占有很大比重，其精确测量是现代高超声速飞行器发展亟需解决的关键技术问题之一。MEMS摩阻传感器具有实现高超声速表面摩阻直接测量并广泛应用的潜力，对飞行器研制和各种高超声速流动问题研究都具有重要意义。目前，MEMS摩阻传感器尚未在高超声速表面摩阻测量中得到实际应用，还有很多问题有待研究。本文系统地研究了高超声速表面

5、摩阻直接测量的原理与方法，利用数值模拟方法研究了基于直接测量的摩阻传感器对待测壁面摩阻测量的影响规律；介绍了基于MEMS技术的高超声速表面摩阻测量方法与新型敏感结构；研究了基于MEMS技术的组合式加工工艺和微弱电容检测技术，研制了MEMS摩阻传感器原理样机；对研制的原理样机进行静态校准，并开展了高超声速风洞验证试验。本文主要由以下章节组成：一、通过查阅文献掌握了国内外摩阻测量技术的发展现状，阐述了高超声速飞行器减阻研究对摩阻精确测量的迫切需求，分析了利用MEMS技术进行摩阻测量的适用性和可行性。二、利用商业CFD软件对高超声速平板摩阻测量载荷评估，初步确定摩阻传感器的性能设计指标，量程为

6、0~100Pa，分辨率为1Pa；获取摩阻传感器浮动元件的移动间隙及与待测壁面的平齐度对摩阻测量的影响规律，为摩阻传感器研制提供参考依据。三、介绍了一种高超声速表面摩阻测量方法和一款新型MEMS摩阻传感器的敏感结构，研究了基于MEMS技术的组合加工工艺和微弱电容检测技术，研制出MEMS摩阻传感器的原理样机。四、利用旋转加载平台对MEMS摩阻传感器样机进行静态校准，结果表明：研制的MEMS摩阻传感器样机量程为0~100Pa，分辨率为1Pa，样机的静校重复性精度总体上优于1.5%，线性度优于2%。五、开展高超声速风洞摩阻测量验证试验，验证摩阻传感器样机的性能。选择性能较好的摩阻传感器样机，进行

7、重复性试验和高动压验证试验。重复性试验结果表明，摩阻传感器样机响应迅速、测量输出信号稳定、回零性好、重复性精度高，其中6#摩阻传感器样机7次车的试验重复性精度为1.38%；高动压验证试验表明，在较高总压（2MPa、3MPa）条件下具有较强的抗冲击能力。研究结果表明：本文建立了一种基于MEMS传感器的高超声速风洞模型表面摩阻测量技术；设计的MEMS摩阻传感器敏感结构以及封装形式适用于高超声速来流试验状态；研制的MEMS摩阻传感器原理样