在風(fēng)洞試驗(yàn)中，NASA接合流模型翼身接合處的流動(dòng)分離現(xiàn)象是驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)模型的關(guān)鍵難題。為深入研究該問(wèn)題，2022年測(cè)試階段重點(diǎn)聚焦于對(duì)稱翼型機(jī)翼的邊界層轉(zhuǎn)捩特性。計(jì)算分析表明，特定波長(zhǎng)（3-5毫米）的表面粗糙度會(huì)顯著放大橫流不穩(wěn)定性，從而影響轉(zhuǎn)捩位置與形態(tài)。然而，模型機(jī)翼的實(shí)際粗糙度狀況及其對(duì)不穩(wěn)定性的具體影響尚不明確。Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究在模型進(jìn)入NASA蘭利14×22英尺亞音速風(fēng)洞前，對(duì)其機(jī)翼上表面進(jìn)行了系統(tǒng)的粗糙度表征。采用探針式臺(tái)階儀，嚴(yán)格遵循ASME B46.1-2002標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量了左右兩翼共十二個(gè)區(qū)域的表面輪廓。方案不僅獲取了常規(guī)的粗糙度參數(shù)（如Ra、Rq），更針對(duì)性地進(jìn)行了功率譜密度分析，以揭示關(guān)鍵波長(zhǎng)范圍內(nèi)的頻譜特征。此舉旨在精確量化表面粗糙度，特別是那些可能激發(fā)橫流不穩(wěn)定性的波長(zhǎng)成分，為后續(xù)的轉(zhuǎn)捩實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與CFD驗(yàn)證提供可靠的輸入數(shù)據(jù)與物理解釋。

左：模型機(jī)翼幾何結(jié)構(gòu)俯視圖、右：左機(jī)翼俯視圖

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探針式臺(tái)階儀的優(yōu)勢(shì)

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艙口對(duì)比掃描圖（ λ<30μm 時(shí)數(shù)值異常）

研究最終選用探針式臺(tái)階儀作為核心測(cè)量工具，而非基于結(jié)構(gòu)光的光學(xué)設(shè)備，核心原因如下：

探針式臺(tái)階儀性能：?jiǎn)未巫畲髵呙栝L(zhǎng)度 25.4mm，觸針為 60 度圓錐體（針尖半徑 2μm），高度數(shù)據(jù)采樣間隔 1.0μm、分辨率 0.01μm，測(cè)量前用 2.970μm 標(biāo)準(zhǔn)樣本校準(zhǔn)，能精準(zhǔn)捕捉表面微觀形貌；

光學(xué)設(shè)備局限性：模型尺寸大導(dǎo)致光學(xué)設(shè)備（需樣本置于移動(dòng)平臺(tái)）操作不便，且短波長(zhǎng)測(cè)量有誤差、掃描長(zhǎng)度不足（無(wú)法覆蓋 3-5mm 關(guān)鍵波長(zhǎng)），測(cè)量的均方根粗糙度值也始終偏高，最終被排除。

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測(cè)量區(qū)域與掃描規(guī)劃

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測(cè)量分兩階段進(jìn)行，覆蓋機(jī)翼關(guān)鍵區(qū)域：

風(fēng)洞外機(jī)翼粗糙度測(cè)量：每個(gè)機(jī)翼選取 6 個(gè)區(qū)域（前緣附近 + 翼弦中部），每個(gè)區(qū)域至少完成 30 次弦向掃描、30 次平行于前緣的掃描（因機(jī)翼后掠，部分為展向），掃描后需移動(dòng)儀器確保數(shù)據(jù)獨(dú)立性；

風(fēng)洞內(nèi)連接處測(cè)量：邊界層轉(zhuǎn)捩測(cè)量后，聚焦機(jī)翼與整流罩的連接處（裝配時(shí)涂有 RTV 硅酮），掃描長(zhǎng)度縮短至 15mm，采樣間隔 0.5μm，重點(diǎn)量化臺(tái)階和間隙。

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數(shù)據(jù)分析：從粗糙度參數(shù)到連接處特征

粗糙度參數(shù)計(jì)算流程

左：p1LE 區(qū)域展向掃描數(shù)據(jù)處理步驟、右：p1LE 區(qū)域弦向掃描數(shù)據(jù)處理步驟

掃描數(shù)據(jù)分割（25.4mm 拆為兩個(gè) 12.9mm 段，重疊 400μm）→中值濾波（5μm 長(zhǎng)度，去除異常點(diǎn)）→去除形狀偏差（展向用線性擬合，前緣弦向用二次擬合）→高斯濾波去波紋度（截止波長(zhǎng) 2.5mm）→截取評(píng)估長(zhǎng)度（12.5mm）→劃分采樣長(zhǎng)度（5 個(gè) 2.5mm 段）→計(jì)算 Ra（算術(shù)平均粗糙度）、Rq（均方根粗糙度）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及PSD（功率譜密度）。

臺(tái)階高度與間隙寬度計(jì)算

機(jī)翼 - 整流罩連接處掃描樣本圖

基于 BOLT-2 飛行器臺(tái)階分析方法簡(jiǎn)化而來(lái)：確定臺(tái)階前后趨勢(shì)線→擬合線外推至間隙中心求差值（臺(tái)階高度）→統(tǒng)計(jì)間隙內(nèi)極端峰 / 谷值，每次掃描重復(fù) 5 次以減少主觀誤差。

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核心結(jié)果與關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

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粗糙度參數(shù)：左右機(jī)翼的差異

（a）Ra值直方圖、（b）Rq值直方圖

整體水平：左翼平均Ra=2.512 ± 0.014 μm、Rq=3.104 ± 0.016 μm；右翼平均Ra=2.870 ± 0.013 μm、Rq=3.532 ± 0.015 μm，右機(jī)翼粗糙度更高；

分布特征：Ra/Rq 直方圖接近正態(tài)分布，但略偏向高值（受物理最小值限制）；Rsk 平均值接近零（峰谷無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)），Rku 在2.61-2.74之間（Rku<3，表明表面紋理均勻、峰谷平緩）。

粗糙度譜：3-5 mm波長(zhǎng)的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

左：不同擬合方式PSD對(duì)比、右：采樣長(zhǎng)度與全掃描長(zhǎng)度PSD對(duì)比

全掃描長(zhǎng)度PSD對(duì)比：重點(diǎn)展示左右機(jī)翼前緣/中部、展向/弦向的PSD差異，尤其左機(jī)翼3-5mm波長(zhǎng)的峰值特征

左機(jī)翼前緣附近展向掃描的 PSD 在3-5mm波長(zhǎng)有顯著峰值，右機(jī)翼對(duì)應(yīng)區(qū)域峰值不明顯；

這一差異恰好解釋了轉(zhuǎn)捩結(jié)果：多數(shù)迎角下右機(jī)翼轉(zhuǎn)捩前沿偏上游（因粗糙度高），而負(fù)迎角時(shí)左機(jī)翼內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)捩前沿率先推進(jìn)（3-5mm 波長(zhǎng)峰值加劇橫流不穩(wěn)定性）。

機(jī)翼-整流罩連接處：反向臺(tái)階與間隙

采樣長(zhǎng)度PSD對(duì)比：補(bǔ)充短波長(zhǎng)（λ<1mm）的光譜特征，完善粗糙度譜分析

間隙寬度：多數(shù)弦向掃描顯示間隙3-5mm（因計(jì)入 RTV 硅酮，可能偏高）；

臺(tái)階高度：兩機(jī)翼均存在反向臺(tái)階（整流罩略高于設(shè)計(jì)位置），且臺(tái)階高度隨距機(jī)身距離減小而增大（如左機(jī)翼 Y/b=-0.16 處臺(tái)階 291 μm，Y/b=-0.23 處降至 41.2 μm）；

展向掃描補(bǔ)充：外側(cè)間隙和臺(tái)階更小，且左機(jī)翼整流罩略高于機(jī)翼，右機(jī)翼相反。

本研究通過(guò)對(duì)NASA接合流模型機(jī)翼的表面表征，得出以下結(jié)論：定量測(cè)量表明，右翼的整體表面粗糙度（Rq為3.532 ± 0.015 μm）顯著高于左翼（Rq為3.104 ± 0.016 μm）。然而，更為關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)在于粗糙度的頻譜特性：左翼前緣在3至5毫米波長(zhǎng)范圍內(nèi)展現(xiàn)出更為突出的譜峰，該波長(zhǎng)范圍被計(jì)算證實(shí)最易放大導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩的穩(wěn)態(tài)橫流不穩(wěn)定性。

這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，即當(dāng)迎角為負(fù)時(shí)，左翼內(nèi)側(cè)更早出現(xiàn)由橫流主導(dǎo)的、呈鋸齒狀的轉(zhuǎn)捩前沿——提供了合理的物理解釋。此外，對(duì)翼身整流罩接合處的測(cè)量確認(rèn)了后向臺(tái)階的存在，并量化了其沿展向變化的幾何特征。綜上所述，研究不僅量化了機(jī)翼的整體粗糙度水平，更重要的是揭示了粗糙度空間分布與頻譜特性對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)制的差異化影響，為計(jì)算模型的精確驗(yàn)證提供了不可或缺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《Surface Roughness Measurements on the NASA Juncture Flow Model: 2022 Test Entry》

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