亞聲速低密度風(fēng)洞的現(xiàn)狀和發(fā)展

張永升，郎衛(wèi)東

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

0 引言

經(jīng)過幾十年的建設(shè)和發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)基本建立了配套齊全、功能完善的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施體系，形成了從低速到高超聲速，氣動(dòng)力到氣動(dòng)熱的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰ΑｋS著空天一體化和深空探測(cè)的發(fā)展，新型飛行器將會(huì)遇到低密度低雷諾數(shù)下的特殊氣動(dòng)問題。目前，我國(guó)在亞聲速低密度風(fēng)洞領(lǐng)域還處于空白狀態(tài)，制約了新型飛行器的開發(fā)利用。雖然國(guó)外只建立了為數(shù)不多的幾座亞聲速低密度風(fēng)洞，但是在其國(guó)家的飛行器型號(hào)研制和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，這些風(fēng)洞的設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、研究?jī)?nèi)容及方向都值得我們借鑒。

1 國(guó)外亞聲速低密度風(fēng)洞的現(xiàn)狀

國(guó)外擁有的亞聲速低密度風(fēng)洞數(shù)量并不多，其中有代表性的主要有美國(guó) NASA Ames中心的MARSWIT風(fēng)洞、日本東北大學(xué)MWT風(fēng)洞、美國(guó)NASA Lewis中心的AWT風(fēng)洞。

1.1 MARSWIT風(fēng)洞

美國(guó)NASA Ames中心于1976年在廢棄的航天高空低密度環(huán)境模擬測(cè)試塔內(nèi)建造了一座直流式邊界層低密度風(fēng)洞——MARSWIT（Mars Surface Wind Tunnel）風(fēng)洞[1-2]，其工作原理是高壓空氣引射的驅(qū)動(dòng)方式。該測(cè)試塔為五角形的混凝土塔，位于N-242建筑內(nèi)，體積為4058 m3，風(fēng)洞放置于塔底層區(qū)域的中心。由N-234建筑內(nèi)的五級(jí)噴射泵通過一個(gè)直徑60 cm的管道對(duì)測(cè)試塔抽真空，抽真空到300 Pa需要約45 min。驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞的高壓空氣由輔助空氣供應(yīng)系統(tǒng)提供，如圖1和圖2所示。

圖1 MARSWIT風(fēng)洞的建筑布局Fig. 1 Aerial photo of MARSWIT buildings

MARSWIT風(fēng)洞總長(zhǎng)13 m，由等長(zhǎng)度（2.4 m）的5段組成，外加1個(gè)1 m長(zhǎng)的錐形入口。第3段為試驗(yàn)段，其橫截面尺寸為1.2 m×0.9 m。第 1段前端安裝有整流裝置，第4段和第5段為擴(kuò)散段，第4段末端安裝有高壓空氣引射裝置，見圖3所示。引射裝置上有72個(gè)等距分布的小孔噴管，每個(gè)噴管有 82°的圓錐擴(kuò)散角，高壓空氣通過這些噴管進(jìn)行引射驅(qū)動(dòng)。風(fēng)洞工作氣體為空氣和二氧化碳，密度范圍 0.01～1.24 kg/m3，范圍的下限值等于火星表面的大氣密度。在風(fēng)洞工作壓力500 Pa時(shí)風(fēng)速最高可達(dá)到180 m/s。

圖3 MARSWIT風(fēng)洞示意圖Fig. 3 Schematic diagram of MARSWIT

NASA建立MARSWIT風(fēng)洞的目的是為了通過地面模擬試驗(yàn)去解釋“水手號(hào)”（Mariner）和“海盜號(hào)”（Viking）火星探測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)。風(fēng)洞建成后開展的研究工作主要有：模擬“火星探路者”（Mars Pathfinder）著陸器降落傘減速過程[3]；模擬火星塵暴和塵卷風(fēng)條件下的耐壓太空服評(píng)估試驗(yàn)；模擬火星地面塵暴；模擬火星地面風(fēng)對(duì)探測(cè)器表面沙塵的聚集和吹除作用。

1.2 MWT風(fēng)洞

日本東北大學(xué)在2007年建造了模擬火星大氣環(huán)境的直流式低密度MWT（Mars Wind Tunnel）風(fēng)洞[4-5]，主要由真空箱、吸入式風(fēng)洞、緩沖罐和連接管上的蝶形閥等組成。見圖4和圖5所示。

MWT風(fēng)洞被放置于一個(gè)長(zhǎng)5 m、內(nèi)徑1.8 m的圓柱形真空容器中。風(fēng)洞采用鋁合金材料制造，總長(zhǎng)度3.49 m，由穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段、混合段和第二擴(kuò)散段共6段組成。試驗(yàn)段截面尺寸僅為100 mm×150 mm，長(zhǎng)400 mm。風(fēng)洞工作氣體為空氣和二氧化碳，通過噴射液態(tài)的二氧化碳來冷卻氣體以模擬火星上真實(shí)的大氣溫度。風(fēng)洞的引射裝置的原理與 MARSWIT風(fēng)洞一樣，其上面有30個(gè)等距分布的噴管，位于第一擴(kuò)散段的末端。風(fēng)洞工作壓力范圍1～20 kPa，工作氣體溫度 200～300 K，雷諾數(shù)范圍 104～105，馬赫數(shù)最高可達(dá)0.71，風(fēng)洞湍流度小于0.5%。

圖4 MWT風(fēng)洞示意圖Fig. 4 General arrangement of MWT

圖5 MWT風(fēng)洞照片F(xiàn)ig. 5 Photo of MWT

MWT風(fēng)洞的試驗(yàn)段尺寸較小，主要用于開展基礎(chǔ)科研工作。風(fēng)洞建成后開展了日本 JAXA火星探測(cè)飛機(jī)的低雷諾數(shù)翼型試驗(yàn)研究[6]。

1.3 AWT風(fēng)洞

美國(guó)NASA Lewis中心的AWT（Altitude Wind Tunnel）風(fēng)洞建造于20世紀(jì)40年代，是一座用于開展推進(jìn)系統(tǒng)研究的低速風(fēng)洞，具有模擬高空低壓低密度低溫環(huán)境的能力。80年代又對(duì)它進(jìn)行改造，使其成為一個(gè)用于全尺寸推進(jìn)系統(tǒng)高空性能測(cè)試和不利天氣條件下飛機(jī)操縱性能研究的風(fēng)洞[7-11]。

AWT風(fēng)洞為閉口試驗(yàn)段回流式風(fēng)洞，南北向長(zhǎng)263ft（80.2 m），東西向長(zhǎng)121ft（36.9 m）。改造前試驗(yàn)段截面為圓形，直徑 20 ft（6.1 m），改造后的試驗(yàn)段截面為八邊形，其平行邊的間距為20ft，試驗(yàn)段長(zhǎng)度由 40ft（12.2 m）延伸為55ft（16.8 m）；穩(wěn)定段直徑51ft（15.6 m），收縮比6.5；洞體采用鋼制殼體設(shè)計(jì)，殼體鋼板厚度1inch（25.4 mm）。附屬建筑包括動(dòng)力系統(tǒng)廠房、冷卻系統(tǒng)廠房和真空抽氣廠房等，如圖6所示。

圖6 AWT風(fēng)洞鳥瞰圖Fig. 6 Aerial photo of AWT

原來的AWT風(fēng)洞配置了一個(gè)由云杉木制成的直徑31ft（9.5 m）、12葉片的風(fēng)扇，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率18 000馬力（13 MW）。改造后的風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由2臺(tái)30 000馬力（共45 MW）的電機(jī)提供。驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇采用兩級(jí)轉(zhuǎn)子（每級(jí)17個(gè)葉片）的高效率設(shè)計(jì)。定子葉片數(shù)量選擇的原則是實(shí)現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子之間的干擾最小化，即使風(fēng)洞內(nèi)的噪聲最小化。在熱交換器的下游安裝有消音器，在試驗(yàn)段末端有可插入的吸音板，以阻止下游的噪聲前傳。通過這些措施能使試驗(yàn)段的噪聲水平低于 120 dB。抽氣系統(tǒng)采用4個(gè)1750馬力（共計(jì)3.3 MW）的離心泵。熱交換器與一個(gè) 21 000 t容量的氟利昂制冷系統(tǒng)連接，用來冷卻驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的熱量和模擬高空的溫度。整流裝置包括蜂窩器和可移動(dòng)的阻尼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)在進(jìn)行不利天氣試驗(yàn)時(shí)可以移除。試驗(yàn)段被一個(gè)真空艙體包圍，抽真空到低壓狀態(tài)時(shí)能夠吸除試驗(yàn)段邊界層，使風(fēng)洞壁面干擾效應(yīng)最小化，以容許進(jìn)行大尺寸模型的試驗(yàn)。AWT風(fēng)洞改造后的情況見圖 7所示。

將試驗(yàn)段改為八邊形是為了在 8個(gè)拐角處進(jìn)行邊界層吸除，以便于進(jìn)行大阻塞比（10%～12%）模型的試驗(yàn)。八邊形的設(shè)計(jì)便于安裝高質(zhì)量的平板光學(xué)玻璃，用于結(jié)冰試驗(yàn)和安裝激光測(cè)量系統(tǒng)，八邊形的側(cè)壁可以用于安裝和拆除吸音板。試驗(yàn)段的底板安裝在一個(gè)螺旋式起重機(jī)上，可以控制底板的起降。模型入口位于試驗(yàn)段的底部，便于模型從廠房的地板平面高度推入到底板上，然后由起重機(jī)提升到試驗(yàn)段位置。AWT風(fēng)洞試驗(yàn)段剖面如圖8所示。

圖7 AWT風(fēng)洞改造示意圖Fig. 7 Modified AWT

圖8 AWT風(fēng)洞試驗(yàn)段剖面圖Fig. 8 Section of AWT

改造后的AWT風(fēng)洞擁有較大的試驗(yàn)段尺寸，可以模擬高空的大氣壓力、密度、溫度和流場(chǎng)環(huán)境。風(fēng)洞馬赫數(shù) 0～0.9、高空模擬范圍從海平面到55 000英尺（16.8 km）高空、溫度范圍-40～60 ℉（-40～15.6 ℃）?？梢赃M(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、氣體熱力學(xué)試驗(yàn)、氣動(dòng)聲學(xué)試驗(yàn)、結(jié)冰試驗(yàn)、降雨試驗(yàn)、全尺寸推進(jìn)系統(tǒng)高空環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)等。

2 空天一體化和深空探測(cè)發(fā)展對(duì)亞聲速低密度風(fēng)洞的需求

2.1 空天一體化發(fā)展的需求

未來戰(zhàn)爭(zhēng)中的空天一體化力量將成為國(guó)家戰(zhàn)略威懾力量的重要組成部分，對(duì)打贏全局戰(zhàn)爭(zhēng)具有十分重要的意義。除了傳統(tǒng)的航空和航天領(lǐng)域外，臨近空間由于其特殊的戰(zhàn)略價(jià)值成為組建空天一體化力量的重要空域。臨近空間是指距地面 20～100 km的空域，處于現(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間，大致包括大氣平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。從航空航天范疇來講，臨近空間區(qū)域的歸屬目前尚無定論，但它對(duì)于情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對(duì)空對(duì)地作戰(zhàn)等意義重大，是當(dāng)前世界各國(guó)發(fā)展的熱點(diǎn)區(qū)域。

臨近空間低速飛行器主要利用低層臨近空間空氣的浮力和飛行器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的升力作長(zhǎng)久持續(xù)的飛行，包括高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)、平流層飛艇等。這類飛行器一般無人駕駛、飛行速度較慢、續(xù)航能力強(qiáng)、信息獲取處理能力強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性和定點(diǎn)能力優(yōu)于在軌衛(wèi)星，系統(tǒng)成本相對(duì)較低，生存能力強(qiáng)，可以承擔(dān)部分傳統(tǒng)航天裝備和航空裝備不能完成的作戰(zhàn)任務(wù)。另外臨近空間低速飛行器和有人航空器、衛(wèi)星等配合使用，共同構(gòu)成高分辨率對(duì)地觀測(cè)的信息網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)任務(wù)區(qū)域全方位、全時(shí)段的綜合偵察監(jiān)視。

由于低速飛行器要在臨近空間低密度環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間飛行，會(huì)遇到低密度低雷諾數(shù)條件下特殊的氣動(dòng)問題[12-15]，因而對(duì)亞聲速低密度風(fēng)洞的建設(shè)提出了需求。這些特殊氣動(dòng)問題主要體現(xiàn)在以下方面：

1）低雷諾數(shù)的復(fù)雜繞流問題。翼型和柔性飛艇機(jī)身等在低雷諾數(shù)條件下的繞流處于非常敏感的區(qū)域，流動(dòng)極不穩(wěn)定，分離、再附及轉(zhuǎn)捩等問題非常突出，使氣動(dòng)特性呈現(xiàn)出非線性效應(yīng)和非定常效應(yīng)。

2）大尺寸柔性結(jié)構(gòu)的流-固耦合問題。臨近空間低速飛行器通常采用大尺度柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在低雷諾數(shù)條件下，像平流層飛艇艇身的柔性變形與氣動(dòng)力相互耦合的問題，高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)由柔性結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)力耦合引起的以顫振、抖振為核心的氣動(dòng)彈性問題等非常突出。

3）推進(jìn)系統(tǒng)綜合性能問題。在低密度低雷諾數(shù)條件下，螺旋槳工作效率大大降低，同時(shí)空氣對(duì)流變得較弱，推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)流傳熱效率也大大降低。這給推進(jìn)系統(tǒng)的工作效率、電機(jī)散熱、高空工作可靠性、空間環(huán)境適應(yīng)性等都帶來新的技術(shù)問題。

以上特殊氣動(dòng)問題依靠目前的研究手段都難以完全解決，因此發(fā)展建設(shè)相應(yīng)的亞聲速低密度風(fēng)洞，提供低密度流場(chǎng)環(huán)境的模擬條件，對(duì)開展低密度低雷諾數(shù)條件下特殊氣動(dòng)問題研究是非常必要的。

2.2 深空探測(cè)發(fā)展的需求

在深空探測(cè)方面，由于火星與地球在諸多方面最為接近，火星探測(cè)一直是人類研究的重點(diǎn)。目前已經(jīng)發(fā)射的火星探測(cè)器基本上都是軌道器或登陸器：軌道器雖然可以探測(cè)很廣的范圍，但是很難做到對(duì)一些細(xì)節(jié)的測(cè)量；登陸器雖然直接與火星接觸，但測(cè)量范圍較為狹窄，而且火星上復(fù)雜的地貌更限制了其運(yùn)動(dòng)范圍。因此近年來火星探測(cè)無人機(jī)[16]逐漸成為了世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。火星探測(cè)無人機(jī)可以對(duì)接近火星表面的大氣進(jìn)行科學(xué)測(cè)量，得到在指定高度范圍內(nèi)火星大氣的成分、密度等信息；可以對(duì)一個(gè)相對(duì)較大的范圍進(jìn)行地磁測(cè)量，得到火星指定范圍內(nèi)的磁場(chǎng)分布；可以對(duì)火星表面下淺層的礦物質(zhì)及地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，提供更為廣泛的火星信息。

由于火星表面的大氣密度約為地球表面的1%，火星探測(cè)無人機(jī)在火星大氣層內(nèi)飛行或火星著陸器進(jìn)入火星大氣著陸過程中都會(huì)遇到低密度條件下的特殊氣動(dòng)問題。這些特殊氣動(dòng)問題與臨近空間低速飛行器遇到的特殊氣動(dòng)問題類似，因此發(fā)展建設(shè)相應(yīng)的亞聲速低密度風(fēng)洞，提供低密度流場(chǎng)環(huán)境的模擬條件，可以為火星探測(cè)無人機(jī)、火星著陸器的氣動(dòng)問題研究提供條件。

3 我國(guó)亞聲速低密度風(fēng)洞的發(fā)展探討

我國(guó)正在積極開展臨近空間和深空領(lǐng)域等探測(cè)活動(dòng)的研究，在飛行器的研制中必然會(huì)遇到低密度低雷諾數(shù)氣動(dòng)力學(xué)問題。但是我國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域的技術(shù)積累較少，基礎(chǔ)研究硬件設(shè)施也比較缺乏，極大地制約了相關(guān)飛行器的研究和空天技術(shù)的開發(fā)利用。因此我國(guó)應(yīng)該盡快發(fā)展建立相應(yīng)的亞聲速低密度風(fēng)洞，形成低密度低雷諾數(shù)氣動(dòng)力學(xué)研究能力，支撐相關(guān)技術(shù)的跨越式發(fā)展，提升我國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。

NASA的MARSWIT風(fēng)洞和日本的MWT風(fēng)洞都是針對(duì)火星環(huán)境模擬而建立的風(fēng)洞，風(fēng)洞的試驗(yàn)段尺寸都比較小，只能進(jìn)行一些原理性和驗(yàn)證性的試驗(yàn)研究，不適合大規(guī)模開展飛行器研制及氣動(dòng)研究工作。它們建成后主要開展了火星探測(cè)器和火星飛機(jī)的相關(guān)研究工作，其試驗(yàn)?zāi)M能力和研究項(xiàng)目可以為我國(guó)深空探測(cè)項(xiàng)目的相關(guān)試驗(yàn)條件建設(shè)和研究項(xiàng)目開展提供很好的參考。NASA的AWT風(fēng)洞雖然最高模擬高度只有16.8 km，還達(dá)不到臨近空間下限20 km的高度，但擁有較大的試驗(yàn)段尺寸，并且可以模擬低壓、低密度、低溫等高空真實(shí)飛行環(huán)境，可以用于開展氣動(dòng)、氣動(dòng)熱、結(jié)冰、降雨、聲學(xué)等多領(lǐng)域的研究，是一座大型綜合性多功能風(fēng)洞，其在大尺寸低密度風(fēng)洞設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于我國(guó)開展臨近空間環(huán)境模擬和建設(shè)大型亞聲速低密度風(fēng)洞具有重要的參考意義。

我國(guó)在發(fā)展亞聲速低密度風(fēng)洞的過程中要從長(zhǎng)遠(yuǎn)的需求考慮，不僅要開展氣動(dòng)基礎(chǔ)研究，還要為型號(hào)研制提供硬件支撐，應(yīng)著眼于建立一個(gè)大尺度風(fēng)洞，在具備模擬低壓、低密度環(huán)境的基本能力的同時(shí)，還要具備低溫模擬、結(jié)冰、降雨、聲學(xué)等拓展試驗(yàn)的能力。因此可以參考美國(guó)AWT風(fēng)洞的建設(shè)和改造經(jīng)驗(yàn)，借鑒的重點(diǎn)包括：

1）多級(jí)葉片風(fēng)扇設(shè)計(jì)。由于低密度條件下風(fēng)扇效率會(huì)降低，采用多級(jí)葉片風(fēng)扇設(shè)計(jì)可以提高風(fēng)扇效率，進(jìn)而提高試驗(yàn)段馬赫數(shù)。

2）風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)外置。驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)不放在風(fēng)洞內(nèi)部，而設(shè)置于風(fēng)洞外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過一根長(zhǎng)軸伸入到風(fēng)洞內(nèi)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣可以避免電機(jī)散熱對(duì)風(fēng)洞內(nèi)氣流溫度的影響；而且避免了電機(jī)冷卻裝置設(shè)置在風(fēng)洞內(nèi)的諸多不便，同時(shí)冷卻效率也可大大提高。

3）雙層試驗(yàn)段設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)段的外部再包裹一層真空殼體，既便于快速進(jìn)行模型安裝，又便于攻角機(jī)構(gòu)等試驗(yàn)裝置的安裝布置。

4 結(jié)束語

我國(guó)在臨近空間和深空領(lǐng)域的探測(cè)活動(dòng)還處于起步階段，這成為相關(guān)技術(shù)研究及支撐設(shè)備建設(shè)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展的一個(gè)重要機(jī)遇。應(yīng)從國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的需求出發(fā)，盡早啟動(dòng)亞聲速低密度風(fēng)洞的論證和建設(shè)工作，形成低密度低雷諾數(shù)氣動(dòng)力學(xué)的研究能力，為臨近空間飛行器研制和深空探測(cè)技術(shù)研發(fā)提供技術(shù)支撐。

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