本文由Andrew J. Neely、Dylan Dooner和Nicholas Giannelis撰写，作者隶属于UNSW Canberra，研究成果发表于AIAA SciTech 2025 Forum，文章题目为《The challenges for multi-physics validation experiments for trajectory simulations of high-speed vehicles》。该论文探讨了高速飞行器气动热-结构相互作用（Fluid-Thermal-Structural Interaction，简称FTSI）研究中的多物理场验证试验的挑战、实验设计方法及相关技术状态，并提出了一些改进实验方法的建议。

背景与研究意义

论文围绕高速飞行器气动热响应的多物理场实验验证难点展开。高速飞行器的设计面临诸多复杂性，其中热效应、形变以及材料老化等问题均限制了飞行器性能的寿命。FTSI现象在飞行器结构受热传导及高非线性流-固耦合下尤为明显。这种耦合作用不仅影响飞行器的性能和可靠性，还会对设计提出长期优化需求。研究指出FTSI的复杂背景，包括航空材料高温性能变化、流固热耦合作用、结构疲劳失效等。

本文的核心目的是评估现有的实验技术，理清其在验证数值模拟模型中的局限性，并提出改进多物理场实验验证的创新办法。

研究内容与方法

1. 试验验证的挑战

论文提出，FTSI实验验证存在以下几个挑战： - 流能量与时间的平衡：一般风洞实验时间较短，无法充分模拟飞行器从启动到整个飞行轨迹的热性能行为。 - 结构热状态的复杂依赖性：结构热状态不仅与瞬时飞行条件（如马赫数、高度）有关，还与飞行路径中的历史热演变强相关。 - 实验设施限制：许多实验设施难以同时实现真实流场、热流量和高强度机械载荷的综合复现。 - 材料时效和老化：高速飞行条件下，材料的热氧化和塑性变形是关键问题，且传统实验难以快速且精确测量相关性。 - 数值模型验证数据稀缺：相关地面实验数据不足，尤其是在多物理场耦合与飞行轨迹变动的叠加影响下。

2. 现有设施分析及局限性

风洞设施、加热桩架、火箭羽流实验等技术是当前模拟飞行器气动热-结构环境的主要手段。 - 短时风洞实验：如Ludwieg管，可提供短时间流场（200毫秒左右），适用于静态或小动态实验。 - 加热桩架：能施加热负荷和机械载荷结合，但热流环境可能不够真实。 - 火箭羽流实验：利用火箭的高温烟气喷流作为动量来源，局限于化学气相的不一致性。 - 长期风洞实验：能实现稳定条件下的流动热-力耦合，但实验成本和尺寸限制较大。

例如，美国NASA Langley的8-ft高温风洞通过燃烧甲烷、液氧和空气模拟高温流场，最大马赫数可达7，但测试规模和状态切换能力有限。

3. 创新实验方法探讨

作者提出了一些改善验证实验的方法： 1. 主动加热模型： - 使用薄膜加热器或辐射加热板，在短时风洞实验中对测试模型进行主动加热，从而更贴近真实飞行器的热环境。 - UNSW通过轻质覆膜热源对高超声速薄壁结构实施加热控制，能够精细调节不同状态下的热-力耦合。 2. 激光点热加热： - 用于复杂电路模拟或结构热状态调节，同时与稀疏传感模块结合实现实时数据收集。 3. 高温疲劳试验桩架： - 利用复合电气和机械载荷联合加载样本，长期评估部件寿命。 4. 统计方法评估轨迹分布： - 应用蒙特卡罗仿真或替代模型方法，系统分析材料热老化或飞行控制面退化的极端情景。

4. 数值模拟技术与试验结合

研究详细分析了数值模拟与物理实验结合的重要性： - 仿真预测的局限性：高超声速CFD模型通常难以准确复现多物理耦合效应，尝试通过实验校准提升精度。 - “数字孪生”方法(notional digital twin)：利用稀疏的机载传感器，实时调整材料热状态和形变响应。

主要研究结果

1. 确认了FTSI与热形变（aerothermal shape distortion）之间的复杂相互作用，明确不同轨迹条件、温差梯度、预热温度如何影响结构的失效界限。
2. 传统风洞设施的实验时间明显不足，需结合短时和长期实验测量特定时刻耦合效应。
3. 提出了基于活性热场调节技术的实验设计框架，并通过辐射加热/薄膜温度调控等方法验证部分非线性耦合作用。
4. 确认了燃烧气流的热-化学耦合对模拟动量传递持久性有重要作用，论文总结了全球不同实验机构的案例和数据集现状。

论文贡献与意义

1. 为高速飞行器相关研究优化了物理场实验方法，为下一代超声速和高超声速飞行器开发提供理论支撑。
2. 强调了材料选择中的轨迹热状态影响及其重要性，特别是化学环境、塑性失效和疲劳裂纹展开等方向。
3. 提供了一种分类风洞实验设施的框架，帮助科研人员结合不同需求选择适合的试验手段。
4. 明确了航天器低成本“数字孪生”验证系统作为辅助机载检测的未来方向。

研究亮点

1. 提出了短时实验结合主动加热功能以改善地面验证局限。
2. 阐释了轨迹条件如何影响瞬态热行为及其对实验最终解读的关键作用。
3. 创新探讨了复杂结构的热-化效应（real gas effects and chemistry coupling）。

总结

文章全面探讨了气动热-结构相互作用的实验和数值联合验证方法。研究特别强调了短时实验、长期状态调整以及轨迹敏感性在高速飞行器复杂环境分析中的核心作用。该研究为未来基于实验的飞行器设计与验证提供了崭新的视角及实际操作建议，有望显著推动学术界在高超声速领域的进步。