第一篇：聲速的測定教案

大學物理實驗教案

實驗名稱：空氣中聲速的測定

1、實驗目的

（1）學會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。（2）進一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。（3）學會用逐差法處理數(shù)據(jù)。

2、實驗儀器

超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B、示波器ST16B。

3、實驗原理

3．1 實驗原理

聲速V、頻率f和波長λ之間的關(guān)系式為V?f?。如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長λ，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。

3．2 實驗方法

3．2．1 駐波共振法（簡稱駐波法）

S1發(fā)出的超聲波和S2反射的超聲波在它們之間的區(qū)域內(nèi)相干涉而形成駐波。當波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時，此駐波的振幅才達到最大值，此時的頻率為共振頻率。

駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個波節(jié)，所以駐波的共振條件為：

L?n,n?1,2,3??2（1）

即當S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時，駐波系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當L不滿足（1）式時，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。

移動S2，可以連續(xù)地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個相鄰共振狀態(tài)之間，即

?S2所移過的距離為：

?L?Ln?1?Ln??n?1??2?n??2??2（2）

??可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了2。此距離2可由超聲聲速測定儀上的游標卡尺測得，頻率可由低頻信號發(fā)生器上的頻率計讀得，根據(jù)V???f，就可求出聲速。

3．2．2 兩個相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）

在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形——稱為李沙如圖形。其軌跡方程為：

?X??Y?2XY?Cos??2??1??Sin2??2??1??????????A1A2 ?A1??A2?（5）

在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差22????2??1?0時，由（5）式，得y?A2xA1，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線[參見圖16—2(a)]。

2yx??1????2??1?222時，得A1A2當，軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓 ?2當????2??1??時，得

y??A2xA1，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。

改變S1和S2之間的距離L，相當于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差（????2??1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即?L?Ln?1?Ln?)2，位相差??就變化?。隨著振動相位差從0→?的變化，李沙如圖形就按圖16——2(a)→（b）→(c)變化。因此，每移動半個波長，就會重復出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據(jù)V?f?，就可計算出聲速。?

4、教學內(nèi)容

（1）熟悉聲速測定儀

該儀器由支架、游標卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標卡尺直接讀出。

兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射聲波用（電聲轉(zhuǎn)換），一只為接收聲波（聲電轉(zhuǎn)換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用以產(chǎn)生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產(chǎn)生的波具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時可以控制頻率在超聲波范圍內(nèi)，使一般的音頻對它沒有干擾。

（2）駐波法測量聲速

1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔”，把換能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打開電源開關(guān)，把頻率倍乘按鈕×10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5--8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態(tài)）。

3）壓入示波器電源開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發(fā)源（觸發(fā)TRIG）選擇“內(nèi)同步INT”；觸發(fā)方式為“自動”。

4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)”波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34.000—36.000KHz范圍。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S1處于共振狀態(tài)。記下頻率f值（實驗過程中，頻率f不許改變，否則影響實驗數(shù)據(jù)）。

5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太?。赡懿环€(wěn)定）或太大，可調(diào)節(jié)Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。

6）注意：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量精確性。

7）向右稍移S2，并調(diào)整游標卡尺的微調(diào)螺絲，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調(diào)整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。8 由近至遠慢慢移動接收器S2，逐個記下九個幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法測聲速 1）把示波器觸發(fā)方式選擇“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“X輸入”聯(lián)接到低頻信號發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。

3）把S2調(diào)回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調(diào)節(jié)游標卡尺微調(diào)螺絲，同時觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。

4）由近至遠，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數(shù)Li值，共測十個數(shù)據(jù)。

5）實驗完畢，關(guān)掉電源，整理好儀器。

5、實驗教學組織及教學要求

（1）教學組織

1）檢查學生的預習實驗報告，同時給學生5-10分鐘時間熟悉儀器，對本實驗有一定的感性認識。

2）講解實驗要點及注意事項，同時以提問的方式檢查學生的預習情況，加深學生對實驗原理的理解。

3）隨時注意學生的實驗操作過程，及時指導解決學生實驗中出現(xiàn)的突發(fā)情況。4）檢查每個學生的實驗數(shù)據(jù)，記錄實驗情況。（2）教學要求

1）能夠利用以前學過的示波器使用方法設計本實驗有關(guān)示波器的調(diào)節(jié)步驟； 2）能夠理解駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度的原理； 3）要求能夠理解影響聲波傳播速度的幾個因素；準備報道實驗結(jié)果。

6、實驗教學重點及難點

1）重點：掌握用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。進一步熟練掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。

2）難點：獨立設計本實驗有關(guān)示波器的調(diào)節(jié)步驟；準確判斷是否形成駐波。

7、實驗中容易出現(xiàn)的問題

1）換能器未達到共振狀態(tài)就記錄聲波頻率；

2）待測聲波在兩個換能器之間并未形成駐波，就開始進行測量； 3）記錄實驗數(shù)據(jù)時漏掉室溫。

8、實驗參考數(shù)據(jù)

1）駐波法測量聲速

共振頻率f=34.583KHz

表1 駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)

次序 Li10?3mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li10?3mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li?5?Li10?3mm vLI?5?Li10?3mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法處理表1數(shù)據(jù) 標準偏差SLI?5?Li?152vLi?5?Li?n?1i?1=0.036mm

CnSLi?5?Li?1.65?0.036?0.06?vLI?5?LiuB??m3?0.023?0.012mm

合成不確定度為

222222uLI?5?LI?uA?uB?SL?u?0.036?0.012?0.038(mm)?LBi?5i

3頻率f不確定度聲速V的相對不確定度

EV?(uff)?(2uf??mf?0.3463?0.2(HZ)

uLI?5?LiLi?5?Li)2?(0.220.0382)?()?0.006?0.6%34.58325.832

聲速的計算

V? 22f(Li?5?Li)?34.583?25.832?357.34(m/s)55

聲速V不確定度為

uV?VEV?357.34?0.006?3(m/s)

室溫時聲速結(jié)果表達式：

?V?V?uV?357.34?0.006(m/s)(p?0.683)??EV?0.6%

2）相位法測量聲速

參考駐波法。

9、實驗結(jié)果檢查方法

1）聲波的頻率值是否與實驗中所用換能器的共振頻率值相符； 2）形成相鄰兩個駐波時的接收換能器位置合理；

3）相位法中，圖形由“/”直線變到“”直線，或由“”直線變到“/”直線，接收換能器S2的位置讀數(shù)合理。

10、課堂實驗預習檢查相關(guān)題目

1）如何調(diào)節(jié)示波器使其能用來觀察某電信號的波形？ 2）如何判斷換能器是否共振？ 3）如何正確讀取換能器的位置？

4）如何利用示波器觀察兩個相互垂直的電信號的合成圖形？

11思考題

1）為什么需要在駐波系統(tǒng)共振狀態(tài)下進行聲速的測量？

2）是否可以用上述方法測量聲波在液體或固體中的傳播速度？如何進行？

3）用駐波法測量聲速時，改變S1和S2之間的距離時，示波器上的波形振幅有時極大有時極小。說明極大或極小時，接收器S2是處于波腹還是波節(jié)位置？

第二篇：聲速的測定實驗報告

聲速的測定實驗報告

1、實驗目的

（1）學會用駐波法和相位法測量聲波在空氣中傳播速度。（2）進一步掌握示波器、低頻信號發(fā)生器的使用方法。（3）學會用逐差法處理數(shù)據(jù)。

2、實驗儀器

超聲聲速測定儀、低頻信號發(fā)生器DF1027B、示波器ST16B。

3、實驗原理

3．1 實驗原理

聲速V、頻率f和波長λ之間的關(guān)系式為V?f?。如果能用實驗方法測量聲波的頻率f和波長λ，即可求得聲速V。常用的測量聲速的方法有以下兩種。

3．2 實驗方法

3．2．1 駐波共振法（簡稱駐波法）

S1發(fā)出的超聲波和S2反射的超聲波在它們之間的區(qū)域內(nèi)相干涉而形成駐波。當波源的頻率和駐波系統(tǒng)的固有頻率相等時，此駐波的振幅才達到最大值，此時的頻率為共振頻率。

駐波系統(tǒng)的固有頻率不僅與系統(tǒng)的固有性質(zhì)有關(guān)，還取決于邊界條件，在聲速實驗中，S1、S2即為兩邊界，且必定是波節(jié)，其間可以有任意個波節(jié)，所以駐波的共振條件為：

L?n,n?1,2,3??2（1）

即當S1和S2之間的距離L等于聲波半波長的整數(shù)倍時，駐波系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，駐波振幅最大。在示波器上得到的信號幅度最大。當L不滿足（1）式時，駐波系統(tǒng)偏離共振狀態(tài)，駐波振幅隨之減小。

移動S2，可以連續(xù)地改變L的大小。由式（1）可知，任意兩個相鄰共振狀態(tài)之間，即

?S2所移過的距離為：（2）

??可見，示波器上信號幅度每一次周期性變化，相當于L改變了2。此距離2可由超聲聲速測定儀上的游標卡尺測得，頻率可由低頻信號發(fā)生器上的頻率計讀得，根據(jù)V???f，就可求出聲速。

3．2．2 兩個相互垂直諧振動的合成法（簡稱相位法）

在示波器熒光屏上就出現(xiàn)兩個相互垂直的同頻率的諧振動的合成圖形——稱為李沙如圖形。其軌跡方程為： ?L?Ln?1?Ln??n?1??2?n??2???X??Y?2XY?Cos??2??1??Sin2??2??1??????????A1A2 ?A1??A2?（5）

在一般情況下，此李沙如圖形為橢圓。當相位差22????2??1?0時，由（5）式，得y?A2xA1，即軌跡為一條處在于第一和第三象限的直線[參見圖16—2(a)]。

2yx???1????2??1?222時，得A1A2，軌跡為以坐標軸為主軸的橢圓 當

2當????2??1??時，得

y??A2xA1，軌跡為處于第二和第四象限的一條直線。

改變S1和S2之間的距離L，相當于改變了發(fā)射波和接受波之間的相位差（????2??1），熒光屏上的圖形也隨之變化。顯然，L每變化半個波長（即?L?Ln?1?Ln?)2，位相差??就變化?。隨著振動相位差從0→?的變化，李沙如圖形就按圖16——2(a)→（b）→(c)變化。因此，每移動半個波長，就會重復出現(xiàn)斜率符號相反的直線。測得波長和頻率f，根據(jù)V?f?，就可計算出聲速。?

4、實驗內(nèi)容

（1）熟悉聲速測定儀

該儀器由支架、游標卡尺和兩只超聲壓電換能器組成。兩只超聲壓電換能器的位置分別與游標卡尺的主尺和游標相對定位，所以兩只換能器相對位置距離的變化量可由游標卡尺直接讀出。

兩只超聲壓電換能器，一只為發(fā)射聲波用（電聲轉(zhuǎn)換），一只為接收聲波（聲電轉(zhuǎn)換），其結(jié)構(gòu)完全相同。發(fā)射器的平面端面用以產(chǎn)生平面聲波；接收器的平面端面則為聲波的接收面和反射面。壓電換能器產(chǎn)生的波具有平面性、單色性好以及方向性強的特點。同時可以控制頻率在超聲波范圍內(nèi)，使一般的音頻對它沒有干擾。

（2）駐波法測量聲速

1）按圖接好線路，把換能器S1引線插在低頻信號發(fā)生器的“功率輸出孔”，把換能器S2接到示波器的“Y input”。

2）打開電源開關(guān)，把頻率倍乘按鈕×10K壓入，調(diào)節(jié)幅度電位器，使數(shù)碼顯示屏讀數(shù)5--8V電壓,電壓衰減按鈕為20dB；波形選擇為正弦波（彈出狀態(tài)）。

3）壓入示波器電源開關(guān)，把示波器Y衰減開關(guān)VOLTS/DIV置0.5v檔，Y輸入方式置AC位。掃描檔TIME/DIV為20us，觸發(fā)源（觸發(fā)TRIG）選擇“內(nèi)同步INT”；觸發(fā)方式為“自動”。

4）移動S2位置，目測S1與S2的距離為3cm左右，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的“頻率調(diào)節(jié)”波段開關(guān)，調(diào)節(jié)頻率微調(diào)電位器，使數(shù)碼顯示屏的頻率讀數(shù)為34.000—36.000KHz范圍。觀察示波器，當屏幕的波形幅度最大時，說明換能器S1處于共振狀態(tài)。記下頻率f值（實驗過程中，頻率f不許改變，否則影響實驗數(shù)據(jù)）。

5）示波器熒幕的波形若不在中央，可調(diào)節(jié)垂直或水平位移電位器；波形太小（可能不穩(wěn)定）或太大，可調(diào)節(jié)Y增益電位器VARIABLE，使波形幅度適中。

6）注意：實驗過程中不要用手觸摸兩個換能器，以免影響測量精確性。

7）向右稍移S2，并調(diào)整游標卡尺的微調(diào)螺絲，同時觀察示波器上波形，使波形幅度最大，幅度如果超過屏幕，可調(diào)整Y增益VARIABLE，使波形滿屏。記下S2的初始位置L0。8 由近至遠慢慢移動接收器S2，逐個記下九個幅度最大的位置（即Li值）。（3）相位法測聲速

1）把示波器觸發(fā)方式選擇“外接”。

2）把示波器的“Y input”接超聲波測速儀的接收器S2,示波器“X輸入”聯(lián)接到低頻信號發(fā)生器的電壓輸出（不能接同步輸出）。

3）把S2調(diào)回距S1大約3cm，移動接收換能器S2，調(diào)節(jié)游標卡尺微調(diào)螺絲，同時觀察示波器的圖形變化，使圖形為“/”，記下S2初始位置LO。

4）由近至遠，慢慢移動S2,并注意觀察圖形變化，逐下記下每發(fā)生一次半周期變化（即圖形由“/”直線變到“”直線）接收換能器S2的位置讀數(shù)Li值，共測十個數(shù)據(jù)。5）實驗完畢，關(guān)掉電源，整理好儀器

5、實驗參考數(shù)據(jù)

1）駐波法測量聲速

共振頻率f=34.583KHz

表1 駐波法測量波長的測量數(shù)據(jù)

次序 Li10?3mm

93.72 98.84 104.02 109.22 114.38 次序

Li10?3mm

119.54 124.70 129.90 135.02 140.18

Li?5?Li10?3mm vLI?5?Li10?3mm

25.82 25.86 25.88 25.80 25.80

0.012 0.028 0.048 0.032 0.032 1 2 3 4 5 7 8 9 10 逐差法處理表1數(shù)據(jù)

152SL?L?vLi?5?Li?I?5in?1i?1標準偏差=0.036mm CnSLi?5?Li?1.65?0.036?0.06?vLI?5?Li

uB??m3?0.023?0.012mm

合成不確定度為

222222uLI?5?LI?uA?uB?SL?u?0.036?0.012?0.038(mm)?LBi?5i

3頻率f不確定度聲速V的相對不確定度

EV?(uff)?(2uf??mf?0.3463?0.2(HZ)

uLI?5?LiLi?5?Li)2?(0.220.0382)?()?0.006?0.6%34.58325.832

聲速的計算

V? 22f(Li?5?Li)?34.583?25.832?357.34(m/s)55

聲速V不確定度為

uV?VEV?357.34?0.006?3(m/s)

室溫時聲速結(jié)果表達式： ?V?V?uV?357.34?0.006(m/s)(p?0.683)??EV?0.6%

2）相位法測量聲速

參考駐波法。

6.結(jié)論：1)實驗測量結(jié)果與理論值接近，是誤差允許范圍。2）相位法測量優(yōu)于駐波法測量。

7.誤差分析：1）共振頻率的不穩(wěn)定。2）換能器的不完全平行。3）示波器上振幅極大值的不穩(wěn)。4）隨著換能器的距離的增加能量會有減弱。5）測量時會含有回程差。

第三篇：傳熱系數(shù)K的測定(教案)

化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數(shù)K的測定

實驗四

換熱系數(shù)K的測定

一、實驗目的

1、了解間壁式傳熱元件的研究和傳熱系數(shù)測定的實驗組織方法。

2、掌握借助于熱電偶測量進出口溫度的方法

3、學會傳熱系數(shù)測定的試驗數(shù)據(jù)處理方法

4、了解影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑

二、實驗任務

1、在空氣－水列管換熱器中，測定兩個不同水流量時一系列空氣流量條件下冷、熱流體進出口溫度。

2、通過熱量衡算方程式和傳熱速率方程式計算總傳熱系數(shù)的實驗值。

三、實驗原理

間壁式傳熱裝置的傳熱過程是冷熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，它是由熱流體熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱過程所組成。在定態(tài)條件下，并忽略壁面內(nèi)外表面的差異，則各環(huán)節(jié)的熱流密度相等，即：

QT?TwTw?twtw?tq??1???1 A?h??c則： q?1?h?1T?t推動力??1????c阻力

1式中 ?h、?、?分別為各傳熱環(huán)節(jié)對單位傳熱而言的熱阻，工程上通常將c其寫為Q=KA(T-t)，那么換熱系數(shù)為：

K?1?h11?????c

由于冷流體的溫度沿加熱面是連續(xù)變化的，且此溫度差與冷、熱流體溫度成線形關(guān)系，故將推動力（T－t）用換熱器兩端溫差的對數(shù)平均溫差表示，即：Q=KA△tm（1）。對于一定態(tài)雙管程列管換熱器，熱流體走殼程，體積流量為Wh，進口溫度為T1，出口溫度為T2；冷流體走管內(nèi)，體積流量為Wc，進口溫度為t1，出口溫度為t2，熱流體放出的熱量等于冷流體得到的熱量，即：

化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數(shù)K的測定

Q=WcρCpc(t2-t1)= WhρCph(T1-T2)則，Q=KA△tm＝ WcρCpc(t2-t1)即：

K?Wc?Cpc(t2?t1)A?tm

式中：A由換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)而定，冷流體的體積流量Wc通過流量計測定，熱流體進口溫度T1和出口溫度T2，冷流體的進口溫度t1和出口溫度t2，均由溫度計測定，Cpc由冷流體的進出口平均溫度決定。

四、實驗裝置和流程

五、實驗步驟

1、打開裝置總控制開關(guān)；

2、緩慢打開冷卻水轉(zhuǎn)子流量計閥門，調(diào)節(jié)冷水流量為40L/h；

3、先打開空氣流量調(diào)節(jié)閥門（旁通閥），再啟動風機（為什么？－）；

4、調(diào)節(jié)旁通閥的開度，使空氣流量為10 L/h；

5、打開氣體加熱器的加熱電源，調(diào)節(jié)加熱電壓控制熱空氣進口溫度恒定在120～130之間任何某一刻度，待冷、熱流體出口溫度顯示值保持10min以上不變時采集實驗數(shù)據(jù)；保持冷水流量為40L/h，在空氣流量分別為15、20、25L/h條件下采集相應實驗數(shù)據(jù)，化工原理實驗教案

實驗四

換熱系數(shù)K的測定

6、調(diào)節(jié)冷水流量為20L/h，在空氣流量分別為10、15、20、25L/h條件下采集實驗數(shù)據(jù)。

7、實驗結(jié)束時，先關(guān)調(diào)壓變壓器開關(guān)，停止加熱，將冷卻水和空氣流量調(diào)至最大，將裝置冷至室溫后，再將其流量調(diào)至最小，關(guān)閉總水閥和氣泵；

8、上機處理實驗數(shù)據(jù)，并打印處理結(jié)果，每小組打印一份。

六、思考題

1、啟動風機前為什么要打開旁通閥？

2、為何要先打開熱空氣流量計閥門，再打開電源加熱？

3、在整個實驗過程中，如何控制熱空氣進口溫度恒定？

七、注意事項

1、啟動風機前先打開旁通閥。

2、先打開空氣流量計閥門，再打開電源加熱。

3、在整個實驗過程中，通過調(diào)節(jié)加熱電壓控制熱空氣進口溫度恒定在120～130之間任何某一刻度。

4、待冷、熱流體出口溫度顯示值保持10min以上不變時方可同時采集實驗數(shù)據(jù)。

八、作業(yè)

1、上機處理數(shù)據(jù)，并打印處理結(jié)果，每小組打印一份。

2、完成實驗報告，應包含：實驗目的、實驗原理、實驗流程、實驗步驟、原始數(shù)據(jù)、計算示例，討論等，其中對計算示例，同一小組同學不得采用同一組數(shù)據(jù)處理。

第四篇：X-51及高超聲速飛行器簡介

美國X-51A飛行器及總體設計及其關(guān)鍵技術(shù)簡介

Xxx

摘要：從計劃的背景、飛行器的構(gòu)造、熱防護材料研發(fā)測試以及實際飛行試驗等方面對X-51A的發(fā)展計劃作了較為詳細的介紹,并據(jù)此對美國發(fā)展高超聲速飛行技術(shù)的研究流程和理念有個一定的了解與認識。

關(guān)鍵詞：X-51A 高超聲速導彈 熱防護系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)材料 飛行器

引言：美國自二十世紀九十年代啟動“全球敏捷打擊”計劃以來，一直處于低速發(fā)展過程中，該計劃近期開始迅速升級，從改造“三叉戟”導彈開始，美國正推出一系列先進攻擊武器概念，包括飛機、無人機和導彈。其中，X-51高超聲速巡航導彈是美國武器庫目前速度最快的全球打擊武器，可以在一小時內(nèi)攻擊地球上任一目標。項目概況

巡航導彈在美國武器系統(tǒng)中具有特殊的地位，在未來信息化戰(zhàn)爭中，巡航導彈不要要成為首選的打擊武器，也是美軍實行遠程軍事打擊的必備武器。

美國于20世紀90年代啟動的“全球敏捷打擊”計劃自推出以來一直處于低速發(fā)展過程中,直至近年該計劃開始迅速發(fā)展。美國從改造三叉戟導彈開始,陸續(xù)推出一系列的先進攻擊武器概念,包括新一代的飛機、無人機和導彈。

X-51A計劃是由美國空軍研究試驗室(AFRL)、國防高級研究計劃局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司聯(lián)合實施的旨在驗證高超聲速飛行能力的計劃。終極目標是發(fā)展一種馬赫數(shù)達到5~7的可以在1 h內(nèi)進行全球打擊的武器,包括快速響應的空間飛行器和高超聲速巡航導彈。X-51A于2010年2月中旬進行了首次高超聲速飛行試驗。

X-51A的首飛創(chuàng)造了又一個人類歷史記錄 — — —超燃沖壓發(fā)動機推進的歷時最長的高超聲速飛行,刷新了 X2 43創(chuàng)造的 12 s的記錄。X2 51A首飛的成功意味著 , 超燃沖壓發(fā)動機將提供一種全新的快速全球打擊能力。據(jù)稱,該高超聲速導彈將能夠在 60 min內(nèi)實施全球打擊。美國國防部 /NASA的 X2 51A項目則是這一新型武器系統(tǒng)方案的關(guān)鍵部分。X2 51A的飛行試驗對于空間進入、偵察、打擊、全球到達以及商業(yè)運輸?shù)榷加兄匾饬x。X-51A計劃的背景

美國空軍認為,高超聲速推進技術(shù)是美國亟須發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域之一,為了達到這一目的,必須走“階梯式發(fā)展”的道路。1979年首次發(fā)射的先進戰(zhàn)略空射導彈(ASLAM)是早期的高超聲速導彈,它使用高速沖壓發(fā)動機實現(xiàn)了馬赫數(shù)為5.5的飛行,雖然達到了高超聲速,但由于沖壓發(fā)動機的燃燒是在亞聲速狀態(tài)下進行,效率非常低。解決這一問題的方法是使用超燃沖壓動機,于是X-51A計劃應運而生。

20世紀90年代中期,國家空天飛機(NASP,NationalAerospace Plane)計劃終止后,美國空軍轉(zhuǎn)而投資HyTech(Hypersonic Technology)計劃以延續(xù)其對高超聲速技術(shù)的研究。2004年1月, AFRL選擇波音公司與普惠公司共同制造SED-WR的驗證機,由波音公司制造機身,普惠公司生產(chǎn)發(fā)動機。2005年9月,美國空軍正式將該計劃編號為X-51A。X-51A計劃的主要目的之一是對美國空軍的HyTech超燃沖壓發(fā)動機進行飛行試驗。這種發(fā)動機使用吸熱型碳氫燃料,能將飛行器的飛行馬赫數(shù)從4.5提升到6.5。

但是，高超聲速技術(shù)有幾大難點：新動力裝置的制造及新燃料的選擇；動力裝置和飛行器機體的連接；新型耐高溫材料的研制；飛行器各子系統(tǒng)和整體控制系統(tǒng)的研究。X-51A飛行器的整體構(gòu)造

X-51A飛行器的整體構(gòu)造如圖1所示,它是由巡航體、級間以及助推器三部分組成,整個飛行器長7.62 m,質(zhì)量1 780 kg,最大寬度為584.2 mm,其中巡航體長4.27 m,質(zhì)量為671 kg。X-51A的主體部分是在金屬材料的基本結(jié)構(gòu)外覆蓋著輕質(zhì)TPS泡沫與陶瓷材料。機體部分的框架板壁等由鋁制成。前鼻端內(nèi)部是金屬鎢,外部則是二氧化硅隔熱層,其作用是承受飛行器頭部高強度的氣動熱載荷,并實現(xiàn)縱向配平,以保證飛行器的縱向穩(wěn)定性。巡航體與機體的過渡部分采用了鉻鎳鐵合金,目的是阻止熱量傳導到飛行器的其余部分。巡航體與級間部分的蒙皮,包括助推器的四個全動尾翼均為鋁制。此外,為了在推進段保持穩(wěn)定,助推器上還另外安裝了兩個鋁制的水平尾翼。超燃沖壓發(fā)動機的艙壁則是用由燃料冷卻的薄壁鉻鎳鐵合金板制成,巡航體的四個可動小翼除在前緣采用了碳-碳復合熱結(jié)構(gòu)材料外,也均使用鉻鎳鐵合金制成。整個飛行器僅在級間部分的某些結(jié)構(gòu)以及助推器的尾錐上使用了鈦合金。助推器的外表面仍由鋼制成,不過鋼質(zhì)的尾噴管被加長了以獲得更大的膨脹率,從而提高性能。

X-51A SED的主要設計工作是運用經(jīng)風洞試驗數(shù)據(jù)驗證的計算工具來完成的。它用CART3D軟件計算所得的歐拉解以及OVERFLOW軟件計算得到的Navier-Stokes解建立起了全面的空氣動力學數(shù)據(jù)庫,在約80多套網(wǎng)格上運行了近2 000個算例,用以對安全分離、氣動加熱、飛行器性能、邊界層轉(zhuǎn)捩以及尾翼偏轉(zhuǎn)等各個方面進行研究。同時,對整個飛行器及巡航體進行了超過1 700 h、3 200余次風洞試驗,利用試驗結(jié)果驗證并完善了數(shù)據(jù)庫。

4超燃沖壓發(fā)動機

高超聲速武器引起速度極大，必然需要有強大動力性能的發(fā)動機，美國空軍一直致力于超然發(fā)動機的研究。X-51驗證機的一個重要任務就是對超然發(fā)動機的性能參數(shù)進行驗證。超燃(超聲速燃燒)沖壓發(fā)動機是沖壓發(fā)動機的一種,它的特征是吸入發(fā)動機燃燒室內(nèi)的空氣流的速度為超聲速,而普通沖壓發(fā)動機內(nèi)氣流速度為亞聲速。超燃沖壓發(fā)動機的基本組成包括:進氣壓縮管(由于飛行器的高速飛行,吸入的空氣受到壓縮),燃燒室(燃料與壓縮空氣混合,燃燒),噴嘴(通過它以高于進氣口空氣流的速度排出燃燒產(chǎn)物,產(chǎn)生推力)。沖壓發(fā)動機是靠吸入的空氣流作為助燃劑工作。進入超燃沖壓噴氣發(fā)動機的空氣流的速度是超聲速,因而會產(chǎn)生一定的沖擊波,如何實現(xiàn)不打亂、不中斷吸入的空氣流,并保持發(fā)動機不熄火連續(xù)有序地工作,這正是超燃沖壓發(fā)動機要解決的難題。在超聲速環(huán)境下把空氣流的速度降低后再進入沖壓噴氣發(fā)動機,將限制發(fā)動機最終的運轉(zhuǎn)速度。另一方面,產(chǎn)生的沖擊波會壓縮空氣流,使進入發(fā)動機的空氣流的速度達到高超聲速,經(jīng)過適當?shù)母綦x器調(diào)節(jié)后擠進燃燒室的氣流將獲得相對穩(wěn)定的壓力,實現(xiàn)更完全的燃燒。進入燃燒室的壓縮氣流與注入的燃料混合、點火、燃燒,然后通過噴嘴將燃燒后的產(chǎn)物以高于入口處空氣的速度排出,從而產(chǎn)生前進的推力。5.飛行器熱防護系統(tǒng)

X-51飛行器首次突破了高超聲速飛行熱障礙，因加速后可達到馬赫數(shù)5~7，與大氣的摩擦可產(chǎn)生大量的熱，如果不采取恰當?shù)臒岱雷o措施，飛行器性能必定會受巨大影響甚至燒毀。為此X-51飛行器采取了一系列措施。5.1防護材料

X-51A的主體部分用金屬材料制造,基本結(jié)構(gòu)外覆蓋燒蝕泡沫FRSI與熱障陶瓷BRI-16。為阻止熱量傳導到飛行器的其余部分,彈頭與彈體的過渡部分采用鉻鎳鐵合金制造。巡航彈體部分的框架、板壁以及導彈彈體與級間部分的蒙皮、包括推進器推進器的尾錐上使用鈦金屬材料,推進器的外表面用鋼制造,如圖3所示。X-51A飛行器為了承受巡航導彈頭部高強度的

氣動熱載荷,實現(xiàn)縱向配平,以保證導彈的縱向穩(wěn)定性,飛行器前鼻端使用金屬鎢制造,外覆二氧化硅(SiO2)隔熱涂層。5.2 發(fā)動機熱防護結(jié)構(gòu)

X-51A飛行器的超燃沖壓發(fā)動機使用常規(guī)燃料JP-7作為冷卻劑。發(fā)動機進氣道入口之前的斜面上涂覆二氧化硅(SiO2)陶瓷瓦,超燃沖壓發(fā)動機的艙壁用鉻鎳鐵合金板制成,發(fā)動機艙內(nèi)部裝有柔性可重復使用的表面隔熱(Flexible Reusable Surface Insula-tion, FRSI)材料,以阻隔發(fā)動機對彈體的熱輻射。5.3 飛行器熱防護系統(tǒng)

X-51A飛行器采用被動熱防護系統(tǒng),熱防護材料主要為泡沫和陶瓷瓦。陶瓷瓦是波音公司研制的可重復使用隔熱陶瓷瓦BRI-16,陶瓷瓦用在機體脊部需要尖銳前緣的部分和進氣道斜面上。陶瓷瓦粘貼到變形隔離墊上,變形隔離墊會吸收因陶瓷瓦和下面鋁蒙皮膨脹率差異而引起的變形。飛行器的上表面(大面積區(qū)域)采用FRSI進行熱防護, FRSI上面覆蓋著一層由波音公司研制的輕質(zhì)變厚度燒蝕(BLA-S)泡沫。

6.飛行試驗計劃

X-51A的飛行試驗包括四次飛行,預計自2009年8月開始。X-51A由B-52H轟炸機攜帶升空,自母機投放后經(jīng)火箭推進至超燃沖壓發(fā)動機的工作高度及飛行馬赫數(shù),然后超燃沖壓發(fā)動機點火,將飛行器由馬赫數(shù)4.5加速到6的巡航速度。X-51A掛載于B-52H的左翼下,投放前與B-52H上的監(jiān)測設備保持通訊,并通過電纜自母機獲得電力供應。在通過各項飛行安全審核后,飛行試驗計劃于2009年初開始實施。4月至5月進行地面測試,并根據(jù)測試結(jié)果于5月進行第一次飛行前的審核, 6月進行X-51A的掛載測試, 7月由B-52H攜帶X-51A做一次彩排飛行。X-51A的第一次自由飛試驗安排在2009年8月,第二次計劃于8周后進行,第三與第四次飛行則分別于11月和12月進行,后三次飛行試驗的間隔時間均為6周,計劃將于2010年結(jié)束。

7.x-51飛行器前景及對我國國防事業(yè)的啟示

X-51A代表了航空技術(shù)的最前沿，一旦投 入使用，它將實現(xiàn)快速全球打擊計劃的目標 兩 小時到達世界任何地方，雖然目前X-51A離實 戰(zhàn)化還有很遠的距離，但我們必須對高超聲速 飛行器加以足夠的重視，必須將發(fā)展高超聲速 武器納入武器裝備發(fā)展的長遠目標 具體而言，可從以下方面入手

（1）高超聲速技術(shù)的研究試驗計劃是一項復雜的系統(tǒng)工程，我們應該借鑒美國的技術(shù)研究方向，同時堅持自主創(chuàng)新，以在將來的信息化戰(zhàn)爭中不處于劣勢；（2）必須進行深入的設計及需求論證以確 立對高超聲速武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求，并確定具 體的設計目標；（3）應加強相關(guān)技術(shù)研究領(lǐng)域的投入和教育的改革，為我國國防事業(yè)培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才，擔負未來保衛(wèi)國家安全的職責 參考文獻：

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第五篇：流體流動阻力的測定(教案)

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

實驗二 流體流動阻力的測定

難點：因次分析方法對工程實際問題的分析解決； 重點：測定流體經(jīng)直管和管件時阻力損失的實驗組織法； 課時：4學時，其中實驗講解約1學時，學生完成實驗3學時；

流體流動阻力測定是化工領(lǐng)域中最重要的實驗之一，是運用因次分析方法的理論來具體解決復雜工程問題的實例，通過實驗掌握工程實驗的基本實驗技能。

一、實驗目的

1.熟悉測定流體經(jīng)直管和管件時阻力損失的實驗組織法及測定摩擦系數(shù)的工程意義；

2.學會用因次分析方法解決工程實際問題； 3.學會壓差計、流量計的使用方法；

4.學會識別組成管路中各個管件，閥門并了解其作用。

二、實驗任務

1.測定特定ε/ d條件下直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系。2.測定流體流經(jīng)閥門和彎頭時的阻力系數(shù)。

三、實驗原理

由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發(fā)生流體間的摩擦，從而導致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導得到的；湍流時由于情況復雜得多，未能得出理論式，但可以通過實驗研究，獲得經(jīng)驗的計算式。

1、直管阻力——采用因次分析法規(guī)劃實驗：（1）影響過程的主要因素

hf =f(d, u,ρ,μ, l,ε)湍流時直管阻力損失hf與的大小取決于流體的物性（密度ρ、粘度μ）、流動狀況（流速u）及流道的幾何尺寸和形狀（內(nèi)直徑d、長度l、管壁粗糙程度ε），若每個自變量的數(shù)值變化10次，測取hf的值而其它自變量保持不變，6個自變量，根據(jù)正交網(wǎng)絡法規(guī)劃，實驗次數(shù)將達10。

6化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

2、因次分析法規(guī)劃實驗因次分析法是通過將變量組合成無因次數(shù)群，從而研究無因次數(shù)群之間的關(guān)系，大大減少實驗自變量的個數(shù)，大幅度地減少實驗次數(shù)。在物理方程因次一致性的條件下，任何一個方程都可化為無因次方程；原方程共有7個變量；它們的因次分別為：d--[L]；u--[LT－]；ρ– [ML－]；μ--[ML－

113T－]；ε--[L]；h f--[LT－]，其中有[L]、[M]、[T] 3個基本因次；根據(jù)無因122次方程的變量總數(shù)等于原方程變量總數(shù)和基本因次數(shù)之差，可得無因次數(shù)群的個數(shù)π=7-3=4個。

即h f =f(d, u,ρ,μ, l,ε)→ π4 =f（π1，π2，π3）式中：?1?LL? ?L?d??L???d

?2??3??MLT??ML??L??LT??1?1?3?1????Re?1

?4??LT??u2?2hfhf2

由因次分析法可將對h f =f(d, u,ρ,μ, l,ε)的研究轉(zhuǎn)化成對無因次數(shù)群π4 =f（π1，π2，π3）之間關(guān)系的研究，即：

du?l??f(，)2u?dd'hf實驗工作量將從106次實驗 → 103次實驗，若實驗設備已定，則：

du??lu2hf?f(,)???dd2 實驗次數(shù)又將從103次實驗 → 102次實驗，從而，實驗工作量大大降低。若實驗設備是水平直管，阻力損失表現(xiàn)為壓強的降低，即：

?Pdu??lu2?f(,)????dd2 2 化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

所以

du????f(,)2?ld?Pu?????d2其中

在實驗裝置和物系已確定的情況下，摩擦系數(shù)λ只隨Re而變，實驗操作變量僅是流量，通過閥門的開度改變流量，用流量計測定流速，由壓差計測定壓差，用溫度計測定物系溫度，從而確定ρ和μ。

四、實驗裝置

光滑直管為不銹鋼管，管徑20.5mm，測壓點間長度2m；粗糙直管為鍍鋅管，管徑20.5mm，測壓點間長度2m；兩根管并聯(lián)，通過球閥控制，直管和彎頭的壓強損失使用水銀壓差計測定，閘閥的壓強損失通過氯仿壓差計測定。

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實驗二

流體流動阻力的測定

實驗介質(zhì)為自來水，置于水箱內(nèi)循環(huán)使用，通過離心泵輸送，用流量計測定流速，用出口控制閥調(diào)節(jié)流量（注意：出口控制閥的安裝位置，流量調(diào)節(jié)閥一般不設在吸入側(cè)，以免在關(guān)小閥門使發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，也不宜裝在離泵很遠的出口線上否則，在調(diào)節(jié)閥前面管段內(nèi)若有積存空氣時會發(fā)生泵的喘振，通常在靠近出口的管上安裝流量調(diào)節(jié)閥）。

五、實驗步驟

1、實驗準備：對照實驗流程圖，熟習實驗裝置及流程，識別組成管路中各個管件、閥門、壓差計并了解其作用；檢查軸承潤滑情況，用手轉(zhuǎn)動聯(lián)軸節(jié)看其是否轉(zhuǎn)動靈活；同時將水箱充水至80％。

2、打開壓差計平衡閥、四個引壓閥和切換閥；關(guān)閉各放氣閥和離心泵的出口控制閥，啟動電源。（為什么？——離心泵在啟動時關(guān)閉出口閥門，可使軸功率低，以免電機燒壞；同時，在出口閥全開的情況下開動離心泵，管內(nèi)流量瞬間達到最大值，壓差計也會隨著迅速上升，這樣很可能導致壓差計中的指示液被沖走）。

3、系統(tǒng)排氣（為什么？——氣體的存在會影響壓力傳遞，導致測量誤差）。? 管路排氣：先將控制閥開足然后再關(guān)閉，重復三次，排走總管中的大部分氣體，然后打開總管排氣閥，開足然后再關(guān)閉，重復三次。（注意平衡閥處于開啟狀態(tài)）

? 引壓管排氣：依次分別對六個放氣閥，開關(guān)重復三次，應保持平衡閥在開啟狀態(tài)。

? 壓差計排氣：關(guān)閉平衡閥，緩慢旋動壓差計上放氣閥排除壓差計中的氣泡，注意：此時眼睛要注視著U型壓差計中的指示液面的上升，先排進壓管，后排低壓管（嚴防壓差計中水銀沖走），排氣完畢。

4、檢驗排氣是否徹底。（如何檢驗？——將出口控制閥打開至最大，再關(guān)閉出口閥，看U型壓差計讀數(shù)，若左右讀數(shù)相等，說明排氣徹底，若左右讀數(shù)不等，重復上述3排氣順序。

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實驗二

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5、實驗布點（如何布點？——將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數(shù)F大，然后關(guān)至水銀壓差計差值約0.08時，再讀取流量顯示儀讀數(shù)F小，確定流量范圍，在F大和F小之間布12～14個點，其中在大流量時少布點，小流量時多布點，這是由于Re在充分湍流區(qū)時λ～Re的關(guān)系是直線，所以在大流量時少布點，而Re在比較小時λ～Re的關(guān)系是曲線，所以在小流量時多布點。

6、測定：通過控制閥調(diào)節(jié)管道中的流量，從流量儀讀出一系列流量，從相應的壓差計讀取壓差。

7、開啟切換閥，測定另一根直管。

8、實驗結(jié)束后，打開壓差計上的平衡閥，先關(guān)閉控制閥后，再關(guān)閉泵（為什么？——防止出口管內(nèi)的流體倒流使葉輪受損），排出水槽內(nèi)的水（為什么？避免設備的銹蝕和凍裂），實驗裝置恢復原狀，并清理實驗場地。

9、上機處理實驗數(shù)據(jù)，并打印處理結(jié)果，每小組打印一份。

六、思考題

1.本實驗裝置采用了哪種型式的泵，操作時要不要灌水？ 2.流體在管路中流動產(chǎn)生阻力的起因是什么？它取決于哪些因素？

3.實驗數(shù)據(jù)測定前，為什么一定要排氣？如何排氣？如何檢查氣是否排凈？

七、注意事項

1、啟動電源時，應打開壓差計平衡閥和四個引壓閥，關(guān)閉各放氣閥，關(guān)閉離心泵的出口控制閥。

2、在排氣時，應嚴防壓差計中的指示液被沖走。

3、測定數(shù)據(jù)前必須對管路及測壓系統(tǒng)進行排氣，并檢查空氣是否確實排盡。

4、兩根并聯(lián)管共用一個流量計及測壓裝置，實驗中只能逐根測定；進行管道切換時，一定要先打開待測管道閥門，再關(guān)閉當前管道閥門。

5、測定時待流量穩(wěn)定后再讀數(shù)。

八、作業(yè)

1、上機處理數(shù)據(jù)，并打印處理結(jié)果，每小組打印一份。

化工原理實驗教案

實驗二

流體流動阻力的測定

2、完成實驗報告，應包含：實驗目的、實驗原理、實驗流程、實驗步驟、原始數(shù)據(jù)、計算示例，討論等，其中對計算示例，同一小組同學不得采用同一組數(shù)據(jù)處理。