中国正在研制“超级风洞”,可模拟25马赫高超音速!

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楼主 2018-12-26 06:59:33
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3月16日,据央视新闻报道,中科院高温气动力国家重点实验室工作人员透露,其团队正在研制的新风洞模拟马赫数可达10—25,试验流场直径2.5m,将是世界最高水平。

“作为先进飞行器的研发平台,建最高技术水平的风洞,全世界都在争。我们正在研制的一个新超高速风洞,计划四年左右的时间建成,它的模拟马赫数将达10到25。”21日,该团队的科研人员告诉记者。


中国已经拥有

全球领先的超大型高超声速风洞



风洞是推动航空航天飞行器发展的国家重器,一代风洞技术决定一代飞行器的研制水平,代表着一个国家的科研实力。


在此次央视报道画面中出现的“复现高超声速飞行条件激波风洞实验技术”(以下简称“JF12复现风洞”),就是该团队研发的。



JF12复现风洞有近300米长,为世界之最,被国际同行称为“高超巨龙”(Hyper-Dragon),是国际首座可复现飞行条件的超大型高超声速风洞。

该重大项目的首席科学家姜宗林告诉科技日报记者,JF12复现风洞是地面气动试验这顶皇冠上的明珠,也是气体动力学研究领域科研人员心中的珠穆朗玛峰。

面对复现风洞技术前所未有的技术,该团队遇到了很多的困难和挑战。继承中国科学院院士、中科院力学所研究员、空气动力学家俞鸿儒的爆轰驱动方法,姜宗林团队从2000年就开始探索复现风洞理论与创新技术验证。到了2006年,复现风洞的理论与关键技术逐渐成熟。

2008年,团队获得了“国家重大科研装备研制项目”支持。2012年,JF12复现风洞通过国家项目验收,并投入使用,到2017完成系列的实验研究。至此,JF12复现团队经过了16年的艰苦努力难。

从国际高超声速风洞技术发展来看,JF12复现风洞突破了三大技术瓶颈:风洞驱动功率小、实验时间短、测量精度低。而六十年的国际研究经历表明,这每一个问题都是“卡脖子”的事,十分棘手。

难能可贵的是,在复现风洞团队的研制工作中,从复现风洞理论,到以九项关键技术为核心的技术体系,再到风洞设计,这是一个“跨界”的研究过程。团队成员既是科学家,又是工程师。一套设备,几千张图纸,有多少疑难,就有多少讨论与质疑。通过不断的努力,他们做到了一次安装到位,一次调试成功。

姜宗林获美国航空航天学会2016年度地面试验奖


2016年6月15日(华盛顿时间2016年6月14日),美国航空航天学会(AIAA)在国际航空大会(AVIATION 2016)上把2016年度的地面试验奖(AIAA Ground Testing Award 2016)颁发给姜宗林,这是该奖项设立41年以来首位中国学者站在领奖台上,也是亚洲科学家首次获此殊荣。

2017年1月9日,JF12复现风洞也荣获2016年国家技术发明二等奖。

关于JF12复现风洞,中国空气动力学学会专门撰文说:“JF12复现风洞是世界上最大的激波风洞,也是国际首座可复现高超声速飞行条件的高超声速风洞。复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速实验60年的世界难题,实现了风洞实验状态从流动‘模拟’到‘复现’的跨越,引领了国际先进风洞试验技术的发展。”


中国要成为覆盖马赫数5—25

最先进试验能力的国家


目前,世界上与中科院JF-10风洞(马赫数7-20)在原理上相近的,是美国1994年为NASA建成的HYPULSE风洞,据NASA发表的相关文档,该设施的测试速度为5-25马赫,最高据称可达30马赫。此外,美国还有“国家高能激波风洞”,缩写LENS系列风洞,该系列的型号LENSI也可达到7-22马赫。

不过,这类风洞尽管测试速度非常高,但试验时间非常短,实验流场小,无法满足具有化学反应流动特征的气动性能试验需求。

10-25马赫大型超高速风洞的研制,则支撑高超声速滑翔、大气层再入等飞行器的研制。


据了解,JF12复现风洞团队在中国科学院是一个比较大的群体,由高温气体动力学国家重点实验室的三个课题组组成。姜宗林担任队长,俞鸿儒院士担任学术指导。

目前,JF12复现风洞团队主要承担着高超声速和高温气体动力学领域多个基础性和应用基础性研究课题,项目背景都是针对未来人类实现“两个小时内全球旅行”的高超声速飞行器开展的。这包括飞行试验/地面实验数据相关性理论、飞行器气动力/热特性、新型气动热管理概念、飞行器/发动机一体化实验技术和新型高效推进方法探索等。

高温气动复现风洞团队由近20个科研人员组成,是一个典型的‘老中青’三结合的团队。老一代的科学家是钱学森和郭永怀先生建立的科研团队的成员;中年一代是文化大革命后我国培养的科研人员;而年轻科研人员则是70后和80后的青年学者,比例达到45%。

高超声速复现风洞技术是对于目前世界风洞实验技术的一种跨越,具有自己完整的理论体系。但是,随着时间的推移和宇航技术发展需求的提升,也必将提出更高的要求。这样一个团队,永远在不断攀登的路上。


“高超声速飞行应该是必然的,但是真正高超声速时代何时才能到来,直至今日,我们仍然在不断努力。”姜宗林说。

“JF12复现风洞可以复现高度25—50公里、马赫数5—9的高超声速飞行条件,主要针对吸气式高超声速巡回飞行器的研发。新风洞将采用我国独创的系列新技术,构建能够覆盖高度40—90公里、马赫数10—25的超高速风洞试验能力,解决天地往返、重复使用飞行器的气动实验问题。”姜宗林说。

姜宗林进一步解释,我国这样两个风洞的结合将形成一座覆盖马赫数5—25范围空天飞行走廊的实验平台,这在国际上是唯一的,水平是领先的。对于我国高超声速学科前沿难题探索和关键技术研发具有重大意义。

延伸阅读

风洞试验:人造气流的管道



风洞是一种产生人造气流的管道,专门用来研究物体在气流中,产生的气动效应以及进行耐热抗压实验等,样机做风洞试验,是为了测量物体与空气相对运动所受到的阻力。 

新型飞机上天前为什么要进行风洞试验 

弄清楚飞机的动力学性能,才能完成一架飞机的设计。如果一架根据理论设计的样机直接飞上天空,危险性很大,需要进行反复测试。

从莱特兄弟开始,在飞机上天之前尽量弄清其性能,就充分利用风洞进行地面测试。风洞是一种产生人造气流的管道,专门用来研究物体在气流中,产生的气动效应以及进行耐热抗压实验等。第一个世界上公认的风洞,是英国人韦纳姆在1871年建成的,设计的目的为了测量物体与空气相对运动所受到的阻力。1901年,为了得到正确的飞行资料,莱特兄弟也利用风洞进行了200多个机翼模型的测试。他们根据模型测试的结果,不仅建成了当时最大的双翼滑翔机,而且发明了世界上第一架带动力的飞机在1903年。

风洞试验把飞机、机翼或模型固定在管道中,与试飞时飞机在空气中运动正好相反,用风扇、高压存贮气体释放等手段产生人造气流,通过准确地控制气流的压力、温度、速度等实验条件。可以高效地模拟飞机在飞行状态下的空气动力学特征。此后,飞行器研发中不可或缺的环节就是进行风洞试验。风洞种类按气流速度分多种多样,可分为跨声速、超声速、亚声速、高超声速等类型;在直径尺寸上,大到可容纳整架飞机,小到几厘米。


风洞试验毕竟只是一种模拟实验,并不是完美的,如气流会受到边界、模型支架的干扰,有局限性。因此,通过风洞试验的飞机还必须到真实环境中进行反复测试和验证。风洞中的气体参数不能完全替代真实情况等。

 

飞机模型进行风洞试验

 

工程师为什么要把好好的飞机弄坏 

为了验证飞机结构的强度,工程师们在飞机刚诞生的时期,常把一些沙袋放到飞机上加力,以了解飞机在什么负载下会发生破坏。这称为地面静力试验。如今的试验使用液压作动器进行加力,已经不再使用沙袋,直到飞机破坏,由计算机控制精确地实现自动加载和数据采集。飞机结构破坏时通常是使用载荷的1.5倍,载荷称为极限载荷。验证飞机的使用载荷可以通过这个实验知道是否符合设计要求。

其实,从很小的零件在飞机研制过程中,到机翼这样的大型部件都要进行结构试验。保证飞机在所能遇到的最大载荷(使用载荷)的作用下,要求飞机零件的设计,不会发生永久的变形。这些零件虽然在飞机设计过程中,已经过很严格的计算,但最终还是验证计算的准确性,要通过地面静力试验。还要进行疲劳试验,疲劳试验的载荷要小得多。试验方向反复变化,载荷大小,以检验飞机及其部件的抗疲劳能力。疲劳试验为了解飞机的使用寿命,最终也会将飞机结构破坏。

为了让飞机的设计更合理、更可靠,工程师破坏飞机的目的,保证在实际飞行中更安全。正因为飞机以这么多的破坏为代价,才成为相对来说比较安全的交通工具,除人为或意外之外。

 

C919飞机全机静力试验

 

试飞员为什么要故意制造“事故”

 

一种新飞机诞生后,首先要进行非常多项目的试飞。考查飞机的操纵性是其中一项。操纵性也称飞机操纵品质,指的是飞机对飞行员所做的控大动作的反应程度。

对控制的反应飞机不能过于敏感。在很小的操纵力下,过于敏感的飞机就会发生很大的反应,难于精确控制,反应量过大,如果产生失速或结构损坏等问题就比较容易。过于迟钝的反映飞机也不宜。飞机过于迟钝,容易使飞行员产生错误判断,在很大的操纵力下反应还是很小,也可能造成飞机的大幅度振荡运动,会导致结构破坏或失速。如果飞机不需要飞行员进行复杂的操纵,在作机动飞行时,位移和驾驶杆的力都适当,飞机的反应不过慢,也不过快,该飞机就具有良好的操纵性。试飞员为了验证飞机的操纵性,常常需要做一些非常规的动作,甚至是一些“事故”。比如:尾旋、失速、急转弯等会使试飞员处于危险的境地,正常飞行时不太遇到的动作。

这就需要试飞员有过硬的心理素质,良好的身体素质,还要具备相当的分析能力和理论基础,能够做出科学理性的判断对空中出现的情况,以便制造人员更好地改进、设计飞机。 

试验试飞后安全返航

来源:装备科技



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忽然觉得,这样日本有点瘆人……

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