摘要：高超聲速流動中普遍存在轉捩、分離與激波–邊界層干擾等復雜流動現象，會導致飛行器表面壓力分布復雜且變化劇烈。壓敏涂料PSP具有非接觸、高空間分辨率以及全場測量等顯著優勢，是高超聲速氣動測試亟需的精細化測量技術。近年來，隨著PSP響應速度的提升與測量方法的發展，其應用已逐漸由常規低速/高速風洞測試拓展至高超聲速領域，在高速運動模型測試方面也取得了突破。本文介紹了快響應PSP測量技術的最新研究進展，結合兩類典型的高超聲速風洞以及一種相對特殊的自由飛彈道靶設備，分別探討了PSP測量技術的挑戰與對策，并展示了相關應用實例，最后對高超聲速快響應PSP測量技術研究進行了展望。

　　關鍵詞：高超聲速;壓敏涂料;快響應;風洞測試

　　0引　言

　　高超聲速飛行器表面壓力載荷是飛行器氣動設計的重要參數。由于高超聲速流動中普遍存在轉捩、分離與激波–邊界層干擾等復雜流動現象，會導致飛行器表面壓力分布復雜且變化劇烈;而當前高超聲速風洞試驗中，模型表面壓力測量仍依賴傳統單點式壓力傳感器，空間分辨率低，難以滿足日益增長的精細化測量需求。此外，傳感器還面臨諸如在復雜模型中安裝困難、高沖擊載荷影響信號質量等問題。與之相比，壓敏涂料(Pressure-SensitivePaint，PSP)是一種更為先進的光學測壓技術，具有非接觸、高空間分辨率以及全場測量等顯著優勢，已廣泛應用于流體力學與航空航天領域[1-2]。

　　近年來，壓敏涂料PSP的性能與測量方法發展迅速，其應用已逐漸由常規低速/高速風洞測試拓展至高超聲速領域[3-5]。PSP中含有對壓力敏感的發光材料。當其受到特定波長的激發光照射時，會吸收激發光的能量并發射出與激發光波長不同的發射光，該過程即為PSP的“光致發光”。PSP的測量原理是基于光致發光過程中的氧猝滅效應，即PSP信號受到周圍環境中空氣壓力(即氧分壓)的影響，導致光強與表面壓力成反比。

　　早在20世紀90年代，美國、俄羅斯、德國等航空航天強國已分別針對高速風洞測試需求開發了壓敏涂料PSP測量系統[6-8]，此后英國和日本也開展了PSP技術研發并將其應用于風洞試驗[9-10]。

　　2000年以來，我國在引進國外技術的基礎上，開始自主開發PSP及其測量系統，并成功應用于多項基礎研究和型號測試[11-15]。目前，應用于常規風洞穩態測試的壓敏涂層技術已相當成熟[16]。該技術進一步的發展方向，一是針對非定常流動發展基于快響應PSP的高時空分辨測量技術，二是拓展PSP的應用范圍，針對高流速、高速運動、高溫等極端測試條件發展有效的測量方法[17]。

　　本文聚焦于快響應PSP技術的研究進展及其在高超聲速氣動測試中的應用。首先介紹兩種廣泛使用的快響應PSP以及相應的測量方法，然后針對兩類典型的高超聲速風洞以及一種相對特殊的自由飛彈道靶設備，結合應用實例探討PSP技術應用面臨的挑戰與對策，最后對PSP技術研究進行展望。

　　1快響應壓敏涂料

　　PSP壓敏涂料PSP通常由對氧濃度/壓力敏感的發光材料與可透氧的高分子基層材料組成，發光材料與基層材料充分混合后涂覆于模型表面。氧氣需要在基層材料中擴散，才能與發光分子充分接觸并產生氧猝滅效應。早期采用的基層材料的氧擴散率普遍較低，導致PSP響應時間較長(通常在1s以上)，無法滿足非定常氣動測試的需求[1]。

　　為提高響應速度，一種可行的方法是減小涂料厚度，例如，俄羅斯中央空氣流體力學研究院(TsAGI)制備的PSP厚度僅2µm、響應時間為5ms左右[18];美國佛羅里達大學開發的PSP厚度為5µm，響應時間為3.5ms[19]。但是，減小厚度會使PSP的信號強度降低，導致高頻采樣下信噪比不足[20]。與減小厚度的方法相比，一種更為有效的方法是采用多孔結構基層制備PSP。可以看出，多孔結構的基層使氧氣能夠迅速在PSP中擴散并與發光分子產生作用，最終實現kHz級以上的頻率響應[21]。快響應PSP主要有兩種制備方法：

　　1)將納米級陶瓷微粒(氧化硅、氧化鈦等)與適量聚合物粘結劑混合后噴涂于模型表面，形成不規則的表面多孔結構，即PolymerCeramic(PC)PSP[22];2)直接對鋁制模型進行電解處理，通過電化學腐蝕在模型表面形成納米尺度的小孔，即AnodizedAluminum(AA)PSP[23]。與直接噴涂的PC-PSP相比，AA-PSP的電解制備過程可控程度較高，性能重復性更好;但AAPSP僅能用于尺寸有限、形狀較簡單的鋁制模型，應用范圍受限。下面，結合高超聲速氣動測試的需求，對上述兩種快響應PSP以及相應的測量方法進行詳細介紹。

　　1.1聚合體陶瓷壓敏涂料

　　PC-PSPPC-PSP的基層材料主要由大量陶瓷微粒、少量粘結劑以及適當的溶劑混合而成。制備過程中，首先以噴槍將混合均勻的基層材料均勻噴涂于待測模型表面，待其凝固后就形成了多孔的PSP基層;隨后，將發光材料溶于適當的有機溶劑中，再將溶液均勻噴涂于基層上，溶劑揮發后即完成制備;也可將噴涂好PSP基層涂料的模型在發光材料溶液中直接浸染進行制備。PC-PSP的厚度一般為幾十µm，表面粗糙度一般不超過5µm，其基層結構和掃描電子顯微鏡(SEM)結果。

　　由于發光分子主要分布于多孔基層的表面，其與氧分子的作用速度很快，階躍響應時間低于100µs[24-25]，頻率響應可達10kHz。在高超聲速氣流的強沖刷效應下，PC-PSP表面的發光材料層容易受到破壞，導致PSP信號急劇下降，造成PSP失效。針對該問題，可采用將發光材料與基層材料充分混合后噴涂的方法，使發光分子相對均勻地分布于PSP中，提升其耐沖刷能力。

　　但此類混合噴涂的PC-PSP響應速度相對較慢，階躍響應時間一般在ms量級[26]。為解決涂料耐沖刷性與響應速度之間的矛盾，彭迪等[27]開發了一種基于介孔陶瓷微粒(MesoporousParticle，MP)的新型PSP。這種MP-PSP的基層陶瓷微粒本身具有多孔中空的特殊結構，為氧擴散提供了便捷途徑，可以顯著提升響應速度，階躍響應時間在100µs以內。與常規PC-PSP相比，MP-PSP抗沖刷能力大幅提高，光衰減效應顯著下降;同時，MP-PSP的適用溫度上限超過100℃，能夠滿足大部分暫沖式高超聲速風洞的測試需求[28]。

　　1.2電解鋁壓敏涂料

　　AA-PSPAA-PSP通過對鋁制模型進行表面處理，直接在模型表面形成多孔結構。首先，將鋁制模型作為陽極浸入電解液中，進行陽極化處理，在模型表面形成一層規整排列的小孔，作為吸附PSP發光材料的基層;然后，將模型在發光材料(通常選用Ru(dpp))溶液中進行浸染、附著。AA-PSP的基層結構及表面掃描電鏡結果。

　　由于模型表面小孔的孔徑、深度等參數均可通過陽極化處理的各個參數(陽極化處理時間、電源電壓等)進行精確控制，因此AAPSP具有性能重復性好的優勢;同時，其響應速度可通過增大孔徑與減小孔深進行提升，階躍響應時間可低至2～3µs[29]。如前所述，AA-PSP的使用局限于鋁制模型，溫度上限一般不超過50℃，其表層附著的發光材料層也較易被氣流沖刷所破壞，因此，在高超聲速氣動測試中，AA-PSP主要應用于測試時間較短的激波風洞[30]或總溫較低的暫沖式風洞[31]。

　　1.3測量方法及系統

　　快響應PSP的測量方法主要分為光強法和壽命法兩類。光強法主要應用于固定模型表面的動態壓力測量，測量系統相對簡單;壽命法能夠實現旋轉葉片等運動模型表面的瞬態壓力測量，測量系統相對復雜。

　　光強法是基于式(1)中PSP發光光強與壓力關系的測量方法。在實際應用中，除表面壓力外，PSP發光材料噴涂濃度、模型當地激發光光強等因素都會影響PSP的發光光強。因此，采用光強法進行測量時，需在已知壓力與溫度的參考狀態下(一般為常溫常壓環境)采集參考圖像，利用參考圖像對實驗圖像進行歸一化，以消除上述因素的影響。

　　典型的光強法測量系統包括LED光源、高速相機和信號同步器等。實驗時，光源連續照射噴涂有PSP的模型，以高速相機高頻采集圖像(光源和相機通過信號同步器觸發)，最終獲得時間解析的全場壓力分布。該方法已廣泛應用于跨聲速及超聲速氣動測試，為研究激波振蕩、激波–邊界層干擾等復雜流動問題提供了重要的高時空分辨壓力數據[32-34]。由于高超聲速氣動測試一般采用固定模型，且風洞運行時間較短，因此可實現高頻采樣的光強法已成為PSP測量的主要方法。

　　PSP的發光壽命一般不隨激發光強度變化，因此該方法具有“自參考”特性，能夠解決光強法中由于模型運動導致激發光光場分布改變的問題。需要指出的是，PSP噴涂的不均勻性仍會導致發光壽命的不均勻性。這種發光壽命的不均勻性主要來源于PSP微觀結構的各向異性，僅改進噴涂工藝難以完全消除。因此，與光強法類似，壽命法也需在參考狀態下采集參考信號，并進行歸一化處理[35]。基于壽命法的PSP測量技術已經成功應用于各類旋轉葉片(包括直升機旋翼與壓氣機轉子葉片等[36])的壓力測試。該技術在彈道靶自由飛測試中也取得了突破，成功獲得了高速飛行模型表面的瞬態壓力分布。

　　2高超聲速PSP測試的挑戰與對策

　　2.1激波風洞測試

　　激波風洞的運行時間較短，一般為幾ms到幾十ms，對PSP的響應速度要求較高，傳統PSP無法滿足測試需求。如前所述，美國、俄羅斯等早期采用的解決方法是減小PSP厚度，使響應時間達到ms級，并將其成功應用于激波風洞測試[18-19]。隨著快響應PSP與高速攝像技術的發展，當前PSP的采樣頻率已達kHz級，響應頻率方面的障礙已基本消除。同時，由于PSP具有一定溫度敏感性，高速氣流氣動加熱效應所導致的溫度誤差是高超聲速測試面臨的主要挑戰。

　　與噴涂式的PC-PSP相比，AA-PSP直接在鋁制模型上生成，材料導熱快，在風洞短暫運行過程中的溫升較小，尤其是在來流總溫不高時，AAPSP的溫度誤差有限，基于傳感器數據對PSP進行在線標定即可基本消除誤差，因此在總溫較低的激波風洞中得到了廣泛應用[37-38]。其中，PSP參考圖像應在風洞運行結束后立即采集，以減小溫度誤差[39]。

　　此外，還需對某些在沖刷效應下數據缺失的區域進行修復。 隨著來流總溫和密度的升高，模型表面溫升顯著增大，且氣流的沖刷效應顯著增強，大大增加了PSP測量的難度。根據德國宇航中心DLR在高焓激波風洞中應用PSP的經驗，除溫度誤差外，面臨的主要挑戰還包括強沖刷下的涂料損壞與高總溫下的強烈背景輻射干擾[40]。如何在極端測試條件下實現準確的PSP測量是當前研究的難點。

　　本文作者所在課題組在中國科學院力學研究所JF-12風洞中開展了PSP測量技術的初步研究。JF12風洞是一座高超聲速飛行復現風洞，能夠模擬馬赫數5～9、高度25～50km的飛行環境，運行時間可達130ms以上[41-42]。較長的運行時間有利于獲得更多的流場數據，但同時也帶來了大溫升與強沖刷等挑戰，對PSP的溫度范圍與粘結強度提出了較高要求。

　　采用前述MP-PSP成功獲得了馬赫數7、總溫3600K來流條件下平板–圓柱干擾的表面壓力分布。實驗中，針對高總溫下的強烈背景輻射干擾問題。相機采集頻率為2000Hz，用于激發的LED光源頻率為250Hz，即在光源打開的情況下相機連續采集4幀PSP圖像，之后光源關閉，相機繼續采集4幀背景圖像，如此循環。通過一系列背景圖像重構得到PSP圖像中的背景輻射分布，從而將PSP信號分離，消除了背景輻射的干擾。

　　2.2暫沖式風洞測試

　　與激波風洞相比，暫沖式風洞總溫不高，但風洞運行時間顯著增加，一般在數秒到數百秒之間。此類風洞測試對PSP的響應速度要求并不苛刻，但PSP的快響應特性仍是實現動態壓力測量的關鍵。例如，向星居等[43]采用響應時間為0.2ms的PCPSP獲得了馬赫數5來流下平板圓柱模型的非定常壓力分布。但是，較長時間的氣動加熱效應會在模型表面形成較為明顯的溫度梯度與較為復雜的溫度分布，所造成的測量誤差難以通過在線標定完全消除，此時PSP測量面臨的主要挑戰是顯著的溫度誤差，通常需要測量模型表面溫度場，再結合PSP的溫度響應特性對測量結果進行修正。

　　例如，Running等[44]采用紅外熱像方法獲得了馬赫數6來流下的鈍錐模型表面溫度分布，進而對AA-PSP測得的動態壓力結果進行了修正。另一種有效方法是采用壓敏涂料PSP與溫敏涂料TSP進行同步測量，不僅可以利用TSP結果對PSP的溫度誤差進行實時修正，還能夠同步獲得溫度場與熱流場等重要數據[45]。該方法主要適用于對稱模型。對于如圖9所示的HB-2模型，可將PSP與TSP對稱噴涂，通過400nm左右的UV-LED同步激發，再通過高速相機同步采集PSP與TSP信號。

　　2.3彈道靶自由飛測試

　　彈道靶是一種較為特殊的氣動試驗設備。在彈道靶試驗中，模型通過加速器達到試驗所需速度并在測試段自由飛行。與常規風洞試驗相比，彈道靶試驗不存在支架或來流背景噪聲的干擾，因此在邊界層轉捩研究與動態氣動力測試方面具有優勢[47-48]。但是，彈道靶模型尺寸小、飛行速度高，在加速過程中承受很高的過載，并且無法重復使用，因此，傳統的接觸式傳感器應用難度很大，模型表面氣動參數的獲取主要依賴PSP、TSP和紅外熱像等光學手段。

　　采用PSP獲取模型高速飛行狀態下的表面壓力分布，不僅要求涂料本身具有快響應、耐沖刷等性能，還需要解決高速運動帶來的激發光場變化、圖像模糊與溫度誤差等問題。 在更高的飛行速度下(Ma≥5)，PSP與TSP測量面臨的條件更為惡劣，后續研究需進一步提升涂料的耐沖刷能力與耐溫上限，同時需克服較為嚴重的圖像模糊問題。

　　3結論及展望

　　隨著壓敏涂料PSP響應速度的提升與測量方法的發展，PSP技術在高超聲速氣動測試中已得到成功應用。基于多孔基層開發的兩種快響應PSP(AAPSP和PC-PSP)，響應頻率已達kHz級甚至更高，能夠滿足高超聲速風洞短時與非定常測試需求。當前高超聲速PSP測試主要采用光強法，利用高速相機連續采集可獲得高時空分辨率的壓力分布。在較為特殊的彈道靶自由飛測試中，采用壽命法可獲得高速飛行模型表面的瞬態壓力與溫度分布。高超聲速測試環境較為惡劣，PSP技術應用面臨的主要挑戰包括涂料受沖刷損壞與受熱失效、溫度誤差以及高焓條件下的背景輻射干擾等。

　　近年來在涂料開發與測量方法上所取得的進展已能夠較好地應對上述挑戰。在高超聲速領域，PSP技術已展現出良好的工程應用前景。在涂料開發方面，應繼續提升PSP的靈敏度、響應速度、耐沖刷能力與溫度范圍，研發自動化的噴涂工藝與設備，使其能夠覆蓋各類模型與測試條件;在測量方法方面，應發展高精度的溫度修正與背景輻射修正算法，提升壓力測量精度。在此基礎上，建立PSP測試標準與工程化測試系統，實現在高超聲速領域的工程應用。

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　　作者：彭迪1,2,*，李永增1,2，劉旭1,2，焦靈睿1,2，劉應征1,2