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JF12高超声速激波风洞(5)
    时间:2015-4-17     点击率:22077

编者按:中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室(LHD)在国家重大科研装备研制计划的支持下,于20081月正式启动了 “复现高超声速飞行条件激波风洞” 项目。在姜宗林研究员的主持下,LHD的相关研究团队经过数年的努力,在2012年完成了研制任务。目前该风洞命名“JF12高超声速激波风洞”,并已正式运行。本刊将陆续介绍JF12风洞研制的背景与意义,风洞原理与关键技术的突破,以及利用它开展国家重大项目与学科前沿研究的情况。

JF12高超声速激波风洞(5

 是世界上独一无二的激波风洞吗

 2012514JF12爆轰驱动高焓激波风洞顺利地通过了专家的验收。验收委员会一致认为:该项目面向国家重大项目和学科研究需求,利用中科院力学所独创的反向爆轰驱动方法,进一步提出了激波管缝合运行、喷管起动激波干扰的弱化、高压爆轰驱动、二次波运动及其控制等系列激波风洞创新技术,研制成功了国际首座可复现25~40 km高空、马赫数5~9飞行条件、喷管出口直径Φ2.5/Φ1.5m、试验气体为洁净空气、试验时间超过100 ms的超大型高超声速激波风洞,整体性能处于国际领先水平。 

1  JF12高超声速风洞专家验收会

 和世界先进国家的情况类似,我国高超声速气动试验的研究也面临着一系列的学科难题。例如,洁净空气介质中超声速燃烧规律、高超声速流动气动模拟实验的多尺度效应、高温气体效应对高超声速流动气动力/气动热的影响规律、高超声速飞行器外部与发动机内部流动相互作用规律以及高超声速绕流产生的空天飞行器光电特征等等,这些问题的实验研究要求地面模拟试验能复现真实的飞行条件,对目前的气体动力学实验装备提出了挑战。面对这一挑战,LHD的中青年科学家们坚持沿着俞鸿儒院士关于爆轰驱动的原创性思路不断创新,通过四年的不懈努力,终于建成了这座世界上独一无二的新型激波风洞(参见图2)。这是力学所在氢氧爆轰技术研究50年积累、爆轰驱动激波风洞研制15年探索的基础上实现的。它像一条超级的翔龙,可以复现高空25~40 km以及马赫数5~9高超声速飞行条件。

2  JF12爆轰驱动高焓激波风洞的照片(从真空段向上游方向看去)

新型激波风洞由风洞主体系统和风洞附属系统两部分组成,其总长为265,总重量约1000吨。风洞主体系统包括卸爆段、爆轰驱动段、被驱动段、喷管、试验测试段、真空段以及三个夹膜机构、轨道支架和相应的液压驱动系统、模型支撑系统等部分。风洞附属系统则是由真空系统、高压气源系统、管体气源配送和控制系统、监控通讯和报警系统、设备和试验参数测试采集系统、光学测试系统等部分组成。它所达到的主要性能指标如下:

(1) 试验气流总温:16003000K

(2) 试验气流总压:212Mpa

(3) 试验气流马赫数范围:59

(4) 风洞喷管出口直径:Φ2.5m/Φ1.5m

(5) 有效试验时间:~100ms

(6) 试验气体为纯净空气。

 从下面表1中所列的数据,可以看到JF12的性能参数完全可以和美国的加热轻气体驱动风洞LENSII相媲美,其中有关试验气流性能的关键参数(马赫数、总温)以及有效试验时间都有了大幅度的提高。而图3则给出JF12流场评估的结果,它是在模拟飞行高度H35km、试验气流马赫数Ma7的状态下测试的,在测量评估的截面上有40个测量点。评估结果表明:JF12风洞实验段流场马赫数分布的均匀性达到了国家标准。

1  中国JF12风洞和美国LENSII风洞的性能参数比较

3  反向爆轰驱动运行波系图

      通过对JF12风洞试验时间的测试,结果表明:其驻室压力的平台持续时间达到了130毫秒,超过了钱学森曾经建议的100毫秒标准。图4给出JF12风洞驻室压力的实测结果,显示该激波风洞可以提供长达130毫秒的平稳试验气流。对于激波风洞这类装置而言,这是十分难能可贵的性能。作为比较,这里可以给出世界上尺度最大、性能最好的自由活塞驱动激波风洞HIEST的测试结果(参见图5)。HIEST风洞所能提供的试验时间仅为2毫秒,而且其试验气流的平稳度显然不如JF12

4  JF12风洞驻室压力变化随时间的变化(吹风序号20120117

5  HIEST驻室压力的实测曲线

    更重要的是,JF12风洞的重复性很好。上面图4是吹风序号20120117的结果,这次吹风的运行参数值为:激波马赫数Ms=4.57,总压P0=3.0MPa,总温T0=2470K。下面图6则是吹风序号20120110的结果,这次吹风的运行参数值为:激波马赫数Ms=4.60,总压P0=3.05MPa,总温T0=2480K,其试验气流的平稳时间也达到130毫秒。两次试验的结果相当接近,这表明了JF12风洞的重复性很好。

 

6  JF12风洞驻室压力变化随时间的变化(吹风序号20120110

    对于JF12爆轰驱动高超声速激波风洞的研制成功,国际同行们给予了很高的评价。日本的风洞专家Sasoh教授是名古屋大学航空工程系主任、日本激波学会理事长、国际激波研究院秘书长并担任第31届国际激波大会主席,他在《日本航空宇航会刊》的论文(参见2013,61(6)期)中写道:JF12的最大特点是试验时间飞跃性增长。国际激波研究院创始人与理事长Takayama教授是国际著名激波物理学者并担任国际学术期刊《Shock Waves》的主编,他亲笔写信给姜宗林,希望风洞对国际基础研究开放,并评论道:“据我所知:这个设备是国际唯一的,不仅在于它产生的流场区域大,气流速度高,试验时间长,更重要的是应用了最独特的爆轰驱动技术,这种技术克服了自由活塞驱动技术的弱点,是在俞先生的指导下由你们研究所发展起来的。你们将为获得的可靠的高超声速试验数据感到骄傲。…” (参见图7)。

7 日本Takayama教授致姜宗林的信

        我国气动力学界更为中国科学家研制成功世界上独一无二的激波风洞而感到振奋。张涵信院士指出:我国的风洞技术发展一直沿着仿制与改进的模式走,其设计思想与关键技术都是外国提出的,是影响航空航天工业发展的重要因素。他欣喜地祝贺LHD在研制JF12过程中,做到了理论创新、实践成功、中国制造、国际领先(参见图8)。 

8  张涵信《观JF12有感》题词

 综上所述,可以知道:LHD研究团队创立了一类以爆轰驱动为特色的新型激波风洞技术,开创了我国大型气动实验装备由仿制走向创新研制的先例,在国际百年风洞发展史,成就第一个“中国”风洞,形成重要国际影响。他们独立设计并研制成功了国际上首座可复现高超声速飞行条件的超大型激波风洞的奋战历程告诉我们:科学是老老实实的学问,研究要靠扎扎实实的工作;只要肯于探索、肯于创新、肯于攀登,任何难题总是能攻克的,但是要记得这里是没有“捷径”的。

 

(王柏懿撰文)