台阶仪在机翼气动性能中的应用：基于NASA案例的表面粗糙度精确量化

在风洞试验中，NASA接合流模型翼身接合处的流动分离现象是验证计算流体力学模型的关键难题。为深入研究该问题，2022年测试阶段重点聚焦于对称翼型机翼的边界层转捩特性。计算分析表明，特定波长（3-5毫米）的表面粗糙度会显著放大横流不稳定性，从而影响转捩位置与形态。然而，模型机翼的实际粗糙度状况及其对不稳定性的具体影响尚不明确。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本研究在模型进入NASA兰利14×22英尺亚音速风洞前，对其机翼上表面进行了系统的粗糙度表征。采用探针式台阶仪，严格遵循ASME B46.1-2002标准，测量了左右两翼共十二个区域的表面轮廓。方案不仅获取了常规的粗糙度参数（如Ra、Rq），更针对性地进行了功率谱密度分析，以揭示关键波长范围内的频谱特征。此举旨在精确量化表面粗糙度，特别是那些可能激发横流不稳定性的波长成分，为后续的转捩实验结果分析与CFD验证提供可靠的输入数据与物理解释。

左：模型机翼几何结构俯视图、右：左机翼俯视图

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探针式台阶仪的优势

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舱口对比扫描图（ λ<30μm 时数值异常）

研究最终选用探针式台阶仪作为核心测量工具，而非基于结构光的光学设备，核心原因如下：

探针式台阶仪性能：单次最大扫描长度 25.4mm，触针为 60 度圆锥体（针尖半径 2μm），高度数据采样间隔 1.0μm、分辨率 0.01μm，测量前用 2.970μm 标准样本校准，能精准捕捉表面微观形貌；

光学设备局限性：模型尺寸大导致光学设备（需样本置于移动平台）操作不便，且短波长测量有误差、扫描长度不足（无法覆盖 3-5mm 关键波长），测量的均方根粗糙度值也始终偏高，最终被排除。

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测量区域与扫描规划

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测量分两阶段进行，覆盖机翼关键区域：

风洞外机翼粗糙度测量：每个机翼选取 6 个区域（前缘附近 + 翼弦中部），每个区域至少完成 30 次弦向扫描、30 次平行于前缘的扫描（因机翼后掠，部分为展向），扫描后需移动仪器确保数据独立性；

风洞内连接处测量：边界层转捩测量后，聚焦机翼与整流罩的连接处（装配时涂有 RTV 硅酮），扫描长度缩短至 15mm，采样间隔 0.5μm，重点量化台阶和间隙。

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数据分析：从粗糙度参数到连接处特征

粗糙度参数计算流程

左：p1LE 区域展向扫描数据处理步骤、右：p1LE 区域弦向扫描数据处理步骤

扫描数据分割（25.4mm 拆为两个 12.9mm 段，重叠 400μm）→中值滤波（5μm 长度，去除异常点）→去除形状偏差（展向用线性拟合，前缘弦向用二次拟合）→高斯滤波去波纹度（截止波长 2.5mm）→截取评估长度（12.5mm）→划分采样长度（5 个 2.5mm 段）→计算 Ra（算术平均粗糙度）、Rq（均方根粗糙度）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及PSD（功率谱密度）。

台阶高度与间隙宽度计算

机翼 - 整流罩连接处扫描样本图

基于 BOLT-2 飞行器台阶分析方法简化而来：确定台阶前后趋势线→拟合线外推至间隙中心求差值（台阶高度）→统计间隙内极端峰 / 谷值，每次扫描重复 5 次以减少主观误差。

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核心结果与关键发现

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粗糙度参数：左右机翼的差异

（a）Ra值直方图、（b）Rq值直方图

整体水平：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，右机翼粗糙度更高；

分布特征：Ra/Rq 直方图接近正态分布，但略偏向高值（受物理最小值限制）；Rsk 平均值接近零（峰谷无明显优势），Rku 在2.61-2.74之间（Rku<3，表明表面纹理均匀、峰谷平缓）。

粗糙度谱：3-5 mm波长的关键发现

左：不同拟合方式PSD对比、右：采样长度与全扫描长度PSD对比

全扫描长度PSD对比：重点展示左右机翼前缘/中部、展向/弦向的PSD差异，尤其左机翼3-5mm波长的峰值特征

左机翼前缘附近展向扫描的 PSD 在3-5mm波长有显著峰值，右机翼对应区域峰值不明显；

这一差异恰好解释了转捩结果：多数迎角下右机翼转捩前沿偏上游（因粗糙度高），而负迎角时左机翼内侧转捩前沿率先推进（3-5mm 波长峰值加剧横流不稳定性）。

机翼-整流罩连接处：反向台阶与间隙

采样长度PSD对比：补充短波长（λ<1mm）的光谱特征，完善粗糙度谱分析

间隙宽度：多数弦向扫描显示间隙3-5mm（因计入 RTV 硅酮，可能偏高）；

台阶高度：两机翼均存在反向台阶（整流罩略高于设计位置），且台阶高度随距机身距离减小而增大（如左机翼 Y/b=-0.16 处台阶 291 μm，Y/b=-0.23 处降至 41.2 μm）；

展向扫描补充：外侧间隙和台阶更小，且左机翼整流罩略高于机翼，右机翼相反。

本研究通过对NASA接合流模型机翼的表面表征，得出以下结论：定量测量表明，右翼的整体表面粗糙度（Rq为3.532 ± 0.015 μm）显著高于左翼（Rq为3.104 ± 0.016 μm）。然而，更为关键的发现在于粗糙度的频谱特性：左翼前缘在3至5毫米波长范围内展现出更为突出的谱峰，该波长范围被计算证实最易放大导致转捩的稳态横流不稳定性。

这一发现为实验中观察到的现象，即当迎角为负时，左翼内侧更早出现由横流主导的、呈锯齿状的转捩前沿——提供了合理的物理解释。此外，对翼身整流罩接合处的测量确认了后向台阶的存在，并量化了其沿展向变化的几何特征。综上所述，研究不仅量化了机翼的整体粗糙度水平，更重要的是揭示了粗糙度空间分布与频谱特性对边界层转捩机制的差异化影响，为计算模型的精确验证提供了不可或缺的实验数据。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

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

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