运载火箭抖振载荷天地数据差异分析-激光测振仪

运载火箭上升段存在强脉动压力载荷引起的跨声速抖振问题。抖振载荷预示主要基于风洞试验，然而风洞试验与飞行遥测数据存在差异，这将极大影响对运载火箭总体性能的预判。从脉动压力物理机理出发，对飞行遥测数据进行了修正，并从雷诺数、声环境、数据样本等方面进行了天地数据差异性分析和研究。研究结果表明：1）运载火箭飞行动力学符合准稳态过程；2） 飞行和风洞脉动压力载荷遵循气动相似定律；3）声环境差异影响载荷谱的高频范围。因此，风洞试验仍然是预示火箭抖振载荷的有效手段。

飞行过程中，运载火箭整流罩绕流会出现流动分离/再附、跨声速激波振荡等非定常流动现象，这些现象导致脉动压力载荷与当地绕流流态密切相关。脉动压力风洞试验是预示抖振载荷的重要研究手段。风洞试验遵循气动相似准则，模拟典型飞行状态下的绕流环境，在定常来流条件下测量模型表面的脉动压力载荷数据，依据天地相似关系为火箭设计与声环境设计提供关键载荷数据。然而，受限于风洞模拟能力，风洞试验与真实飞行环境存在差异，导致天地载荷数据表现出显著偏差。

运载火箭飞行与风洞模型的测点位置及压力载荷天地数据对比如下图所示。

从物理机理分析，风洞/飞行模型测点测得的数据是运载火箭表面压力的时变信息，含测点处的静压和压力脉动，可通过扣除静压来获得压力脉动信息。在定常来流的风洞试验中，测点处静压近似为常值。而在飞行试验中，需要考虑静压随飞行高度和来流马赫数变化的影响。

火箭飞行测点处缺少实测静压时变数据，但通过飞行高度数据能够得到来流大气压力数据。如下图所示，飞行遥测数据的整体趋势与来流大气压的变化几乎一致。低速飞行时来流不可压，火箭头部表面静压与来流大气压相近。高亚声速及跨声速时来流动压升高，静压低于大气压，但变化趋势相近。这说明飞行数据确实反映了测点处静压的变化规律。

下图为火箭连续变马赫数脉动压力风洞试验数据。

天地载荷统计特性对比如下图所示。

火箭飞行过程中的来流动压时刻变化。根据气动相似准则，理论上脉动压力与来流动压成正比。为此分析了来流动压对脉动压力遥测数据的影响，结果如下图所示。

下两图为飞行数据的平滑滤波修正结果和修正数据的统计分析结果。

通过分析脉动压力载荷的物理机理，得出下列结论：1）雷诺数量级差异导致运载火箭头部天地绕流流态存在显著差异；2）飞行试验抖振载荷数据是由飞行高度处的当地静压和非定常绕流诱导的脉动压力共同作用形成；3）典型飞行状态是准定常过程；4）运动引起低频气动噪声载荷；5）激波振荡现象的特征频率低，易被视作准定常载荷；6）相同流态下，运动引起的天地中低频气动噪声特性具有较好的吻合性。

本文从物理机理分析入手，分析了运载火箭抖振载荷天地数据的差异及其成因。研究表明，运载火箭抖振载荷天地数据对比时，有必要考虑雷诺数差异对头部低雷诺数区域绕流流态产生的影响。此区域内天地测点不具备几何对应关系，应以流动相似作为天地数据对比的核心原则。飞行数据分析中，可依据传感器信号特征，采用静压修正法或经合适参数的数字滤波方法进行修正，提取真实的压力脉动信息。典型飞行状态为准定常过程，脉动压力载荷信号可视为平稳随机过程。考虑天地环境差异的影响，火箭抖振载荷天地数据核心特性仍具有较好的吻合性，这表明风洞试验仍是抖振载荷预示的可靠途径。

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