大型低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

賴歡，祝長江, ，陳萬華，廖達(dá)雄, ，孫德文

1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)與測試技術(shù)研究所， 綿陽 621000

2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 綿陽 621000

0 引 言

隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機(jī)、先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和探月工程等一系列航空航天工程對我國風(fēng)洞高雷諾數(shù)模擬能力提出了更新更高的要求。雷諾數(shù)的模擬是衡量風(fēng)洞模擬能力的重要參數(shù)，低溫風(fēng)洞是工程上實(shí)現(xiàn)高雷諾數(shù)模擬的有效途徑。建設(shè)大型生產(chǎn)型低溫風(fēng)洞，將大幅度提升我國大型客機(jī)等飛行器的精細(xì)化設(shè)計(jì)水平，進(jìn)一步拓展和提升我國空氣動(dòng)力學(xué)綜合研究能力。

大型低溫風(fēng)洞的建設(shè)是一項(xiàng)集空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、材料學(xué)、低溫工程、測控理論等多學(xué)科的復(fù)雜研制項(xiàng)目，建設(shè)周期長、技術(shù)盲點(diǎn)多，國內(nèi)沒有可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)和建設(shè)的難度較大。自20世紀(jì)70年代以來，國外已建成20多座低溫風(fēng)洞。德國的大型低速低溫風(fēng)洞（KKK）、美國的國家跨聲速設(shè)備（NTF）和歐洲四國（英國、法國、德國、荷蘭）共建的低溫跨聲速風(fēng)洞（ETW）在設(shè)計(jì)階段均開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，著力解決低溫運(yùn)行對風(fēng)洞帶來的影響。與常規(guī)風(fēng)洞不同，低溫風(fēng)洞運(yùn)行溫度低且溫差大（77～323 K），經(jīng)受風(fēng)洞冷卻、恒溫試驗(yàn)、風(fēng)洞回溫及試驗(yàn)段溫度快速改變等復(fù)雜工況，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，且因溫度場的不均勻和傳熱滯后，結(jié)構(gòu)熱變形呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)熱變形不僅影響洞體結(jié)構(gòu)安全和功能，也會(huì)影響氣動(dòng)輪廓和性能，因此必須對結(jié)構(gòu)熱變形進(jìn)行有效控制。

20世紀(jì)90年代，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心（CARDC）設(shè)計(jì)建成0.1 m×0.1 m低速低溫風(fēng)洞，開始對低溫風(fēng)洞運(yùn)行原理及流程進(jìn)行探索性研究。進(jìn)入21世紀(jì)，飛行器高雷諾數(shù)地面模擬需求日趨緊迫，CARDC啟動(dòng)了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)論證工作，廖達(dá)雄等對大型低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了流動(dòng)控制、洞體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)、多變量控制技術(shù)等攻關(guān)方向。2015年，其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建成了我國第一座工程用0.3 m量級(jí)低溫高雷諾數(shù)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，利用該平臺(tái)持續(xù)開展了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究。2017年，中國科學(xué)基金會(huì)舉辦“雙清論壇”，研討“大型風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問題”，提出了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)中多場耦合振動(dòng)特性機(jī)理、寬溫域金屬/復(fù)合材料性能、絕熱保溫、智能制造和試驗(yàn)技術(shù)的研究需求和發(fā)展目標(biāo)。

洞體機(jī)械系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)大型低溫風(fēng)洞主體功能的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能集成度高，可承受寬溫域、交變壓力和振動(dòng)等特性。本文通過對國外大型低溫風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)歷史的回顧，結(jié)合國內(nèi)低溫工程的技術(shù)現(xiàn)狀，分析我國大型低溫風(fēng)洞洞體機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出其關(guān)鍵技術(shù)及解決措施，為大型低溫風(fēng)洞洞體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)提供攻關(guān)方向和設(shè)計(jì)參考。

1 國外低溫風(fēng)洞研制歷程概述

國外低溫風(fēng)洞的研制遵循“原理性研究→小型引導(dǎo)性風(fēng)洞設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)→大型工程化建設(shè)”的過程。1870年，英國海運(yùn)工程師Francis H.Wenham在英國格林威爾建成了一座概念性的低溫風(fēng)洞，隨后的100年間，歐美的空氣動(dòng)力學(xué)研究人員一直致力于獲得低溫試驗(yàn)氣體的研究。1971年，蘭利中心的Michael Goodyer及其團(tuán)隊(duì)將垂直起降風(fēng)洞的模型縮比風(fēng)洞改造成低溫風(fēng)洞，并于1972年1月進(jìn)行了首次低溫風(fēng)洞試驗(yàn)，通過直接噴入液氮的方法將風(fēng)洞溫度穩(wěn)定在80～333 K，證實(shí)了低溫風(fēng)洞概念的有效性和實(shí)際可行性。在此基礎(chǔ)上，蘭利研究中心于1972年12月開始設(shè)計(jì)建設(shè)引導(dǎo)性跨聲速低溫風(fēng)洞（TCT），1973年10月該風(fēng)洞開始運(yùn)行，驗(yàn)證了低溫風(fēng)洞在跨聲速和6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下運(yùn)行的有效性，并利用該風(fēng)洞進(jìn)行了一系列高雷諾數(shù)氣動(dòng)試驗(yàn)。連續(xù)式低溫風(fēng)洞（圖1）區(qū)別于常規(guī)連續(xù)式風(fēng)洞有以下特點(diǎn)：1）低溫風(fēng)洞采用壓力泵將液氮從儲(chǔ)罐輸送到液氮噴嘴，通過液氮汽化吸收壓縮機(jī)做功產(chǎn)生的熱量和洞體外部傳入的熱量；2）設(shè)置排氣裝置，將液氮汽化產(chǎn)生的氮?dú)馀c常溫空氣混合后排入大氣，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞回路總壓的穩(wěn)定控制。通過理論研究和實(shí)踐，歐美的風(fēng)洞研究人員越來越認(rèn)識(shí)到低溫風(fēng)洞的優(yōu)越性。

圖1 低溫風(fēng)洞原理圖Fig.1 Schematic of cryogenic wind tunnel

1.1 NTF風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)簡介

美國國家跨聲速風(fēng)洞（NTF）的建設(shè)主要是為了解決飛行雷諾數(shù)模擬能力不足的問題。該風(fēng)洞具備常溫和低溫兩種運(yùn)行模式，常溫運(yùn)行時(shí)采用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)，通過水冷換熱器進(jìn)行降溫；低溫運(yùn)行時(shí)通過液氮進(jìn)行換熱。因此，在設(shè)計(jì)階段，NTF面臨著諸多必須解決的關(guān)鍵難題。例如，要維持風(fēng)洞低溫運(yùn)行，必須持續(xù)不斷地將液氮注入風(fēng)洞回路進(jìn)行換熱以抵消風(fēng)扇做功產(chǎn)生的熱量。NTF風(fēng)扇軸功率約101 MW，因此必須要解決好液氮的穩(wěn)定供給和流量精確調(diào)節(jié)的問題。蘭利中心的科研人員通過引導(dǎo)風(fēng)洞（TCT）的設(shè)計(jì)、建設(shè)和調(diào)試，逐步了解并掌握了低溫風(fēng)洞相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，在NTF建設(shè)時(shí)將液氮供給、排氣冷量控制及回收、洞體絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及風(fēng)洞運(yùn)行控制技術(shù)作為NTF風(fēng)洞設(shè)計(jì)和建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。在洞體機(jī)械系統(tǒng)方面，開展了低溫材料沖擊韌性、表面硬化工藝、動(dòng)密封等方面的研究，并利用TCT風(fēng)洞對初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化。

1.2 ETW風(fēng)洞設(shè)計(jì)建設(shè)簡介

歐洲跨聲速風(fēng)洞（ETW）是由英國、法國、德國以及荷蘭聯(lián)合建設(shè)的一座先進(jìn)的低溫高雷諾數(shù)跨聲速風(fēng)洞。在20世紀(jì)80年代開展了一系列低溫技術(shù)和設(shè)備（包括動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備）研究。ETW的設(shè)計(jì)得到了NTF設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持，在風(fēng)洞概念設(shè)計(jì)階段，ETW設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)主要針對如何獲得一流的風(fēng)洞流場品質(zhì)、提高試驗(yàn)效率、降低液氮消耗等方面提出了風(fēng)洞的建設(shè)計(jì)劃及關(guān)鍵技術(shù)。ETW設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將風(fēng)洞洞體的絕熱保溫、低溫壓縮機(jī)、試驗(yàn)段技術(shù)、二喉道技術(shù)、模型支撐、系統(tǒng)更換及模型更換間溫控等作為ETW風(fēng)洞建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，該團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)建設(shè)了歐洲跨聲速風(fēng)洞引導(dǎo)性風(fēng)洞（PETW），著力解決相關(guān)技術(shù)難題，并在后期持續(xù)開展低溫試驗(yàn)技術(shù)和風(fēng)洞性能提升的研究工作。

2 國內(nèi)低溫風(fēng)洞建設(shè)工業(yè)基礎(chǔ)

大型低溫風(fēng)洞作為一個(gè)國家的重要基礎(chǔ)研究試驗(yàn)裝備，必須依托于國內(nèi)的工業(yè)基礎(chǔ)，國內(nèi)深冷行業(yè)的技術(shù)實(shí)力是大型低溫風(fēng)洞建設(shè)的重要技術(shù)保障。

2.1 低溫材料現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，低溫鋼的研發(fā)和應(yīng)用備受重視。目前，低溫鋼主要應(yīng)用于液化天然氣（LNG）、化工儲(chǔ)槽和航空航天等領(lǐng)域。大型LNG運(yùn)輸船、低溫儲(chǔ)罐多采用鎳（Ni）系低溫鋼。國產(chǎn)的Ni系低溫鋼具有較好的低溫綜合性能，通過調(diào)質(zhì)和淬火等工藝處理，能有效提高其低溫沖擊韌性，滿足110 K以上低溫容器用鋼要求。

在低溫下，奧氏體不銹鋼具有良好的低溫沖擊韌性，因此，它是低溫工況下的理想材料。國內(nèi)空分設(shè)備、航空航天推進(jìn)劑地面儲(chǔ)存設(shè)備中，液氮（77 K）、液氫（20 K）以及液氦（2 K）等的大型儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備均采用的是奧氏體不銹鋼。

在低溫環(huán)境下工作的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)件不僅要求選用的低溫材料有較高的強(qiáng)度，同時(shí)還要求有較好的低溫沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)低溫鋼在深冷儲(chǔ)槽等靜設(shè)備方面已經(jīng)有了廣泛的運(yùn)用，材料的低溫特性有了一定的數(shù)據(jù)支持。但由于風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的特殊性，風(fēng)洞殼體及試驗(yàn)設(shè)備需要承受交變載荷，動(dòng)作機(jī)構(gòu)必須在低溫下運(yùn)行自如、可靠，因此，對低溫材料的低溫機(jī)械性能、膨脹系數(shù)、傳熱系數(shù)、低溫沖擊韌性等性能提出了更高的要求。目前國內(nèi)材料尚無完整的低溫環(huán)境下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，必須有針對性地開展相關(guān)低溫測試，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)供設(shè)計(jì)參考。特別是要對寬溫域機(jī)械性能、加工工藝性、表面硬化處理等開展補(bǔ)充測試和試驗(yàn)研究。

2.2 深冷工程現(xiàn)狀

國內(nèi)的深冷工程主要集中在空分行業(yè)以及航空航天領(lǐng)域。隨著國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，空分設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造能力不斷提升，以杭州制氧機(jī)集團(tuán)為代表的空分設(shè)備設(shè)計(jì)及制造企業(yè)已經(jīng)能夠自主設(shè)計(jì)和制造60 000 m/h以上等級(jí)的特大型空分設(shè)備，其采用的全低壓分子篩吸附、中壓空氣雙級(jí)增壓膨脹循環(huán)工藝流程技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、安全性高。液氧、液氫等地面儲(chǔ)存設(shè)備容積已達(dá)10 000 m量級(jí)，多采用常壓雙壁式低溫儲(chǔ)槽，夾層填充珠光砂絕熱。低溫液體輸送已經(jīng)廣泛采用高真空多層纏繞絕熱管道，其當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)10W/（m·K）量級(jí)。

經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，我國在運(yùn)載火箭、載人飛船、探月飛行器等方面取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。大推力液氧液氫航天推進(jìn)器達(dá)百噸量級(jí)，在液氧液氫的儲(chǔ)存及絕熱技術(shù)方面已較為成熟。外太空環(huán)境下工作的展開裝置、釋放裝置、鎖緊裝置、緩沖裝置等需承受120～450 K的晝夜（背光面/迎光面）溫差變化，靜部件本體能夠適應(yīng)真空、大溫差等惡劣工況。動(dòng)部件系統(tǒng)則采用了休眠-喚醒技術(shù)，即當(dāng)環(huán)境溫度低于120 K時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，不進(jìn)行動(dòng)作；當(dāng)環(huán)境回溫到120 K以上時(shí)，系統(tǒng)被喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)。航天器所經(jīng)歷的環(huán)境特殊，其機(jī)構(gòu)面臨工況惡劣、重量體積限制、維護(hù)困難、測試技術(shù)復(fù)雜等問題，低溫風(fēng)洞中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也具有類似的問題。因此，航空航天中的低溫工程技術(shù)對大型低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有極高的借鑒價(jià)值。

3 洞體機(jī)械系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

洞體機(jī)械系統(tǒng)是大型低溫風(fēng)洞的主體設(shè)備，與動(dòng)力系統(tǒng)共同組成低溫風(fēng)洞氣流回路，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過液氮噴射裝置向風(fēng)洞回路注入液氮實(shí)現(xiàn)降溫運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)排氣段排出的氣流流量控制風(fēng)洞運(yùn)行壓力，對承壓殼體采取絕熱措施以控制低溫運(yùn)行氣流與外界環(huán)境的熱量傳遞。風(fēng)洞試驗(yàn)段等核心設(shè)備安裝在直徑超過10 m的駐室腔體內(nèi)，利用全自動(dòng)運(yùn)輸車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b和運(yùn)輸。大型低溫風(fēng)洞工作溫度極低且溫度變化范圍大，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)運(yùn)行工況惡劣、復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)解決結(jié)構(gòu)材料選取、結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力及熱變形控制、低溫寬溫域重載傳動(dòng)、液氮噴射裝置、試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q等關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖2 大型低溫風(fēng)洞洞體回路結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Assembled mechanical circuit of cryogenic wind tunnel

3.1 低溫材料

低溫風(fēng)洞運(yùn)行溫度范圍一般為77～323 K，長時(shí)間運(yùn)行在液氮溫區(qū)，結(jié)構(gòu)用金屬材料必須是韌-脆轉(zhuǎn)變溫度較低或者無韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，具備良好的低溫特性。大型低溫風(fēng)洞主要結(jié)構(gòu)類型有承壓殼體、重載承力構(gòu)件、模型支撐系統(tǒng)等，對選用金屬材料的機(jī)械性能、物理特性、表面硬度、低溫韌性和可制造性指標(biāo)存在針對性差異。表1為低溫風(fēng)洞5種用途金屬材料性能的需求及指標(biāo)。其中，最重要的是對77 K溫度時(shí)的低溫沖擊功提出了明確的指標(biāo)要求，對低溫沖擊功有較大影響的碳、鎳、硅等含量需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。在開展洞體機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，應(yīng)依托國內(nèi)鋼鐵科研院所，有針對性地開展所需材料的機(jī)械性能、物理特性、熱處理工藝、焊接和機(jī)加工藝等相關(guān)測試和研究，補(bǔ)全低溫風(fēng)洞運(yùn)行范圍內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并從冶煉難度、采購成本、批量大小等方面綜合考慮，選取滿足低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能需求的金屬材料。

表1 低溫風(fēng)洞用金屬材料性能需求（部分）Table 1 Expected properties of metal materials for cryogenic wind tunnel（partial）

3.2 熱應(yīng)力及熱變形控制

寬溫域范圍內(nèi)，傳熱不均將對洞體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，直接影響風(fēng)洞氣動(dòng)尺寸和結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全。因此，如何有效地對風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱和變形控制，保證風(fēng)洞高效、安全運(yùn)行是大型低溫風(fēng)洞洞體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵問題。

風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)承壓殼體最高工作壓力達(dá)0.45 MPa，最高運(yùn)行氣流馬赫數(shù)為1.3，最大軸向力約1 500 kN，低溫氣流與洞體結(jié)構(gòu)間以對流傳熱為主，表2為洞體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要載荷類型。由于內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、熱容大，在風(fēng)洞的降溫-運(yùn)行-升溫過程中，洞體結(jié)構(gòu)無法完成傳熱平衡，存在較大的溫度梯度。在傳熱、高速氣流動(dòng)載、駐室增壓靜載以及動(dòng)力系統(tǒng)引入的氣流振動(dòng)等復(fù)合載荷作用下，結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與流場特性耦合在一起，其強(qiáng)度、剛度、動(dòng)態(tài)特性都存在非線性特征。

表2 洞體機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要載荷Table 2 Design load for mechanical system of the cave

與常規(guī)跨聲速風(fēng)洞不同，大型低溫風(fēng)洞從靜流段至試驗(yàn)段、高速擴(kuò)散段等均安裝在駐室內(nèi)（圖3），其軸線和型面的一致性將關(guān)系到風(fēng)洞流場品質(zhì)的好壞。在溫度變化范圍大的情況下，洞體內(nèi)部構(gòu)件將產(chǎn)生較大的熱變形，影響風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓和結(jié)構(gòu)安全。針對風(fēng)洞的熱變形控制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：1）保證洞體軸線不發(fā)生偏移和產(chǎn)生夾角；2）保證洞體內(nèi)部不產(chǎn)生大的臺(tái)階；3）釋放局部熱應(yīng)力，保證風(fēng)洞各部段協(xié)調(diào)一致；4）有效傳遞內(nèi)部軸向載荷至外部地基。

圖3 內(nèi)部支撐載荷分布Fig.3 Load distribution on inner supports

圖4為傳統(tǒng)框架式固塊噴管結(jié)構(gòu)在低溫風(fēng)洞降溫工況下的溫度場與應(yīng)力場的有限元仿真云圖，迎氣流面為高精度型面壁，表面對流換熱系數(shù)高達(dá)200 W/（m·K），背面為整體焊接框架縱橫筋板結(jié)構(gòu)，位于駐室靜止氣流中，表面?zhèn)鳠釣樽匀粚α?。從仿真結(jié)果可知，在經(jīng)過7 200 s的降溫后，型面部分溫度降低至123 K，而帶筋板的喉塊由于傳熱較慢，最高溫度為224 K，整體溫差約100 K，其熱應(yīng)力高達(dá)314 MPa，溫差和熱變形不一致導(dǎo)致多處應(yīng)力集中。因此，對于低溫風(fēng)洞型面精度要求極高的核心部段，傳統(tǒng)整體式結(jié)構(gòu)不能滿足氣動(dòng)型面精度和結(jié)構(gòu)安全性的要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步開展流固熱耦合仿真分析方法研究，提高仿真分析精度，著力解決多物理場耦合條件下的大型結(jié)構(gòu)件傳熱平衡和熱應(yīng)力解耦問題，減小部件整體溫差和熱變形。

圖4 框架式型面結(jié)構(gòu)溫度場與應(yīng)力場Fig.4 Stress and temperature distribution of frame structure

3.3 低溫寬溫域重載傳動(dòng)

洞體機(jī)械系統(tǒng)所有動(dòng)作機(jī)構(gòu)均位于駐室內(nèi)，軸承、絲桿、彈性元件、減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等傳動(dòng)鏈均承受交變的溫度載荷，溫域跨度大，工作范圍為90～323 K。減速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)端設(shè)備可以采用保溫絕熱的方法使電器部分在常溫環(huán)境下工作。而末端的傳動(dòng)傳力絲桿、軸承、推桿等運(yùn)動(dòng)部件完全暴露在工作氣流中，直接承受寬溫域、高速、重載的復(fù)合載荷，因此，需要解決低溫風(fēng)洞特殊工況下低溫?zé)o油潤滑、大溫區(qū)間隙補(bǔ)償、低溫疲勞和抗沖擊等問題。

軸承作為末端運(yùn)動(dòng)副，其摩擦和磨損問題直接影響機(jī)構(gòu)壽命和穩(wěn)定性，大溫差下軸承游隙的控制將影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度。常規(guī)的低溫減摩層采用聚四氟乙烯（PTFE）為基材的織物材料，磨損量大，熱膨脹系數(shù)較大，不利于控制游隙和提高壽命。而類金剛石表面減摩層處理方法的摩擦性能隨溫度降低的機(jī)理還不明晰，沒有工程應(yīng)用實(shí)例。目前，國內(nèi)缺乏寬溫域低溫重載軸承的設(shè)計(jì)依據(jù)，對適用于低溫風(fēng)洞工況的高硬度耐磨材料、固體自潤滑材料、低溫摩擦機(jī)理、游隙控制等還需要進(jìn)一步研究和探索。

圖5為低溫風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡圖，除驅(qū)動(dòng)裝置外，傳動(dòng)絲桿、低溫導(dǎo)軌、迎角機(jī)構(gòu)支板等核心部件均裸露在試驗(yàn)環(huán)境中，承受溫度和模型升力載荷。絲桿跨度近5 m，有效行程達(dá)4 m，長徑比30以上，橫向剛度較弱。在氣流脈動(dòng)和溫度不均勻的工況下，可能出現(xiàn)局部熱應(yīng)力、熱變形不一致，影響傳動(dòng)精度，導(dǎo)致表面耐磨層失效等問題。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)有：1）全行程范圍內(nèi)傳動(dòng)精度及載荷分布；2）絲桿支撐方式的動(dòng)態(tài)特性及抑振措施；3）降低傳動(dòng)嚙合面之間的接觸應(yīng)力和疲勞壽命；4）寬溫域下嚙合面間隙補(bǔ)償和控制；5）嚙合表面硬化處理和耐磨減摩層的可靠性。

圖5 低溫風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡圖Fig.5 Sketch of attack mechanism in cryogenic wind tunnel

3.4 液氮噴射結(jié)構(gòu)

低溫風(fēng)洞通過向洞體回路注入液氮進(jìn)行換熱并控制氣流總溫，其截面溫度場均勻性指標(biāo)為±0.5 K，溫控精度匹配的液氮流量控制分辨率達(dá)到3 g/s。圖6為液氮噴射截面噴嘴布局示意圖。氣動(dòng)布局采用截面多噴嘴陣列式，由小流量、中流量、大流量3種類型的噴嘴組合，共計(jì)約250個(gè)；采用4組獨(dú)立液氮噴射排架的形式，陣列布置噴嘴，中間排架在有限空間內(nèi)需要布置約80個(gè)噴嘴。

圖6 低溫風(fēng)洞液氮噴嘴截面布局Fig.6 Layout of liquid nitrogen spray section in cryogenic wind tunnel

由于液氮噴射汽化傳熱至風(fēng)洞回路達(dá)到溫度平衡存在一定的滯后效應(yīng)，需要控制噴射的開關(guān)閥響應(yīng)快速、啟閉直接，其動(dòng)作端應(yīng)盡量靠近噴嘴布置，減小液氮在管路中汽化的可能性。此外，液氮噴射排架及管路直接與液氮接觸，整體溫度將達(dá)到77 K，其驅(qū)動(dòng)端用氣不能出現(xiàn)液化現(xiàn)象，先導(dǎo)電控設(shè)備必須適應(yīng)一定的低溫工況或者處于常溫狀態(tài)。液氮噴射結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到溫度場精度指標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮液氮溫區(qū)和快速啟閉的特點(diǎn)，確保液氮噴射結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。可從3個(gè)方面考慮：

1）采用一體化結(jié)構(gòu)，縮小閥體、閥芯體積，減小閥門熱容，確保噴射閥能快速預(yù)冷，減少液氮消耗。圖7為一種帶整流罩的4通道多閥組一體化液氮閥，閥芯和噴嘴直接安裝在末端，供液管路無啟閉空行程，可有效適應(yīng)風(fēng)洞流道空間限制。

圖7 一體化液氮噴射排架平面布置圖Fig.7 Plane layout of integrated liquid nitrogen spray valves

2） 控制端用氣應(yīng)避免低溫液化及水等雜質(zhì)污染，避免堵塞，確保閥門啟閉性能響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)。

3）液氮排架截面為細(xì)長流線型，高度方向長約6 m，屬于長細(xì)比較大的橫向弱剛性結(jié)構(gòu)，噴射閥啟閉頻率高，噴射反推力較大，且液氮噴射總流量最高可達(dá)300 kg/s，設(shè)計(jì)時(shí)需優(yōu)化噴射結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，避免出現(xiàn)流致振動(dòng)問題。

3.5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q技術(shù)

由于低溫運(yùn)行的特殊性，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b、調(diào)整、姿態(tài)變化等設(shè)備需要高度的自動(dòng)化和低溫適應(yīng)性。常規(guī)風(fēng)洞可以在駐室大門開啟后，人工操作進(jìn)行試驗(yàn)條件的轉(zhuǎn)換，大型低溫風(fēng)洞若采用常規(guī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q技術(shù)，則必須將洞體及氣流溫度恢復(fù)至常溫，氣體置換為空氣，試驗(yàn)的成本增加，效率大大降低，且能耗浪費(fèi)巨大。因此，在不改變低溫試驗(yàn)環(huán)境的狀態(tài)下，如何方便快捷地實(shí)現(xiàn)模型更換，是低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

低溫試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q可分為工位操作和模型更換間操作兩種模式，圖8為一種插入式模型更換系統(tǒng)，采用的是工位操作模式，通過插入封閉管道，在試驗(yàn)段模型區(qū)域形成常溫常壓空間，試驗(yàn)段前后通過隔離門和抽氣管路將主氣流繞過維修區(qū)域，維持風(fēng)洞低溫狀態(tài)運(yùn)行，降低能耗。圖9、10分別為下沉式和上提式模型運(yùn)輸系統(tǒng)，都采用的是模型更換間操作模式，即將模型運(yùn)出至外部模型更換間進(jìn)行維護(hù)和更換，風(fēng)洞內(nèi)通過駐室承壓口蓋封閉，不破壞主流道結(jié)構(gòu)。

圖8 插入式模型更換系統(tǒng)Fig.8 Inserted model replacement system

圖9 下沉式模型運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.9 Sunken transport system for cryogenic model cart

目前大型低溫風(fēng)洞均采用高度集成的自動(dòng)化模型車，配備轉(zhuǎn)運(yùn)模型車的模型車運(yùn)輸系統(tǒng)，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)移至專用的常溫模型更換間，而洞體維持低溫環(huán)境，從而提高試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鼡Q效率，降低低溫風(fēng)洞運(yùn)行能耗。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛙囎鳛榈蜏仫L(fēng)洞洞體機(jī)械系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量不僅直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，而且關(guān)乎風(fēng)洞設(shè)備的可靠性和安全性。作為試驗(yàn)段的重要組成部分，全模模型車集成了試驗(yàn)所需的多組機(jī)構(gòu)和機(jī)械裝置，包括迎角機(jī)構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、壁板擴(kuò)開角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、再入調(diào)節(jié)片機(jī)構(gòu)和鎖緊定位裝置等，具有尺寸大、運(yùn)動(dòng)范圍大、運(yùn)行速度快、承載大、使用頻率高、可跨溫區(qū)運(yùn)行等特點(diǎn)，在110～323 K大溫區(qū)變化范圍內(nèi)的大型超低溫機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中幾乎沒有先例，其運(yùn)行性能、安全性、可靠性要求給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圖10 上提式模型運(yùn)輸系統(tǒng)Fig.10 Lifting transport system for cryogenic model cart

模型車需要克服寬溫域、氣流載荷、振動(dòng)、低溫密封及絕熱等技術(shù)難點(diǎn)，特別是在試驗(yàn)工位上因氣流脈動(dòng)載荷使模型支撐系統(tǒng)流固熱耦合而誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)解決以下問題：1）模型車各工位的精確定位；2）機(jī)構(gòu)集成及熱防護(hù)可靠性；3）用電、用氣自動(dòng)插拔裝置；4）10 m量級(jí)承壓法蘭自動(dòng)鎖緊及密封裝置的可靠性；5）試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蜗到y(tǒng)流固熱耦合動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化。

4 結(jié) 論

大型低溫風(fēng)洞洞體機(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制理論、測量技術(shù)等諸多學(xué)科，其配套系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，應(yīng)依托于小型引導(dǎo)風(fēng)洞和專項(xiàng)研究設(shè)備，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，降低大型低溫風(fēng)洞建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)。

1）通過引導(dǎo)風(fēng)洞的設(shè)計(jì)、建設(shè)和調(diào)試，驗(yàn)證風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總體方案和布局的合理性，確保熱應(yīng)力釋放、總體支撐結(jié)構(gòu)和支座布局滿足軸線精度指標(biāo)和安全運(yùn)行要求。

2）完善低溫風(fēng)洞用材的寬溫域基礎(chǔ)物性參數(shù)，為設(shè)計(jì)選材、強(qiáng)度校核提供技術(shù)支撐。

3）進(jìn)一步開展多物理場耦合仿真技術(shù)研究，探索適用于大型風(fēng)洞設(shè)備的靜力學(xué)和動(dòng)態(tài)特性仿真預(yù)測方法，提高工程化設(shè)計(jì)的效率和可靠性。

4）聯(lián)合國內(nèi)高水平科研院所，開展低溫軸承、傳動(dòng)絲桿、減摩材料、試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛙嚨群诵牧悴考难兄乒ぷ?，解決制造工藝問題，實(shí)現(xiàn)核心零部件的工程化應(yīng)用。