關(guān)于作者
中科院力學(xué)所
JF12高超聲速激波風(fēng)洞（5）
力學(xué)園地
2016年01月04日
編者按：中國科學(xué)院力學(xué)研究所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LHD）在國家重大科研裝備研制計(jì)劃的支持下，于2008年1月正式啟動(dòng)了“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”項(xiàng)目。在姜宗林研究員的主持下，LHD的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務(wù)。目前該風(fēng)洞命名“JF12高超聲速激波風(fēng)洞”，并已正式運(yùn)行。本刊將陸續(xù)介紹JF12風(fēng)洞研制的背景與意義，風(fēng)洞原理與關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及利用它開展國家重大項(xiàng)目與學(xué)科前沿研究的情況。
2012年5月14日，JF12爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞順利地通過了專家的驗(yàn)收。驗(yàn)收委員會(huì)一致認(rèn)為：“該項(xiàng)目面向國家重大項(xiàng)目和學(xué)科研究需求，利用中科院力學(xué)所獨(dú)創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)一步提出了激波管縫合運(yùn)行、噴管起動(dòng)激波干擾的弱化、高壓爆轟驅(qū)動(dòng)、二次波運(yùn)動(dòng)及其控制等系列激波風(fēng)洞創(chuàng)新技術(shù)，研制成功了國際首座可復(fù)現(xiàn)25~40 km高空、馬赫數(shù)5~9飛行條件、噴管出口直徑 2.5/ 1.5m、試驗(yàn)氣體為潔凈空氣、試驗(yàn)時(shí)間超過100 ms的超大型高超聲速激波風(fēng)洞，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。”
和世界先進(jìn)國家的情況類似，我國高超聲速氣動(dòng)試驗(yàn)的研究也面臨著一系列的學(xué)科難題。例如，潔凈空氣介質(zhì)中超聲速燃燒規(guī)律、高超聲速流動(dòng)氣動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的多尺度效應(yīng)、高溫氣體效應(yīng)對高超聲速流動(dòng)氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱的影響規(guī)律、高超聲速飛行器外部與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)相互作用規(guī)律以及高超聲速繞流產(chǎn)生的空天飛行器光電特征等等，這些問題的實(shí)驗(yàn)研究
要求地面模擬試驗(yàn)?zāi)軓?fù)現(xiàn)真實(shí)的飛行條件，對目前的氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備提出了挑戰(zhàn)。面對這一挑戰(zhàn)，LHD的中青年科學(xué)家們堅(jiān)持沿著俞鴻儒院士關(guān)于爆轟驅(qū)動(dòng)的原創(chuàng)性思路不斷創(chuàng)新，通過四年的不懈努力，終于建成了這座世界上獨(dú)一無二的新型激波風(fēng)洞（參見圖2）。這是力學(xué)所在氫氧爆轟技術(shù)研究50年積累、爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞研制15年探索的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。它像一條超級的翔龍，可以復(fù)現(xiàn)高空25~40 km以及馬赫數(shù)5~9的高超聲速飛行條件。
新型激波風(fēng)洞由風(fēng)洞主體系統(tǒng)和風(fēng)洞附屬系統(tǒng)兩部分組成，其總長為265米，總重量約1000噸。風(fēng)洞主體系統(tǒng)包括卸爆段、爆轟驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段、噴管、試驗(yàn)測試段、真空段以及三個(gè)夾膜機(jī)構(gòu)、軌道支架和相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、模型支撐系統(tǒng)等部分。風(fēng)洞附屬系統(tǒng)則是由真空系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)、管體氣源配送和控制系統(tǒng)、監(jiān)控通訊和報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備和試驗(yàn)參數(shù)測試采集系統(tǒng)、光學(xué)測試系統(tǒng)等部分組成。它所達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下：
(1)試驗(yàn)氣流總溫：1600～3000K；
(2)試驗(yàn)氣流總壓：2～12Mpa；
(3)試驗(yàn)氣流馬赫數(shù)范圍：5～9；
(4)風(fēng)洞噴管出口直徑： 2.5m/ 1.5m；
(5)有效試驗(yàn)時(shí)間：～100ms；
(6)試驗(yàn)氣體為純凈空氣。
？
？？？ 從下面表1中所列的數(shù)據(jù)，可以看到JF12的性能參數(shù)完全可以和美國的加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞LENSII相媲美，其中有關(guān)試驗(yàn)氣流性能的關(guān)鍵參數(shù)（馬赫數(shù)、總溫）以及有效試驗(yàn)時(shí)間都有了大幅度的提高。而圖3則給出JF12流場評估的結(jié)果，它是在模擬飛行高度H＝35km、試驗(yàn)氣流馬赫數(shù)Ma＝7的狀態(tài)下測試的，在測量評估的截面上有40個(gè)測量點(diǎn)。評估結(jié)果表明：JF12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場馬赫數(shù)分布的均勻性達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。
？
JF12高超聲速激波風(fēng)洞（5）
？
是世界上獨(dú)一無二的激波風(fēng)洞嗎？2012年5月14日，JF12爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞順利地通過了專家的驗(yàn)收。驗(yàn)收委員會(huì)一致認(rèn)為：“該項(xiàng)目面向國家重大項(xiàng)目和學(xué)科研究需求，利用中科院力學(xué)所獨(dú)創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動(dòng)方法，進(jìn)一步提出了激波管縫合運(yùn)行、噴管起動(dòng)激波干擾的弱化、高壓爆轟驅(qū)動(dòng)、二次波運(yùn)動(dòng)及其控制等系列激波風(fēng)洞創(chuàng)新技術(shù)，研制成功了國際首座可復(fù)現(xiàn)25~40 km高空、馬赫數(shù)5~9飛行條件、噴管出口直徑 2.5/ 1.5m、試驗(yàn)氣體為潔凈空氣、試驗(yàn)時(shí)間超過100 ms的超大型高超聲速激波風(fēng)洞，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。”
圖1 JF12高超聲速風(fēng)洞專家驗(yàn)收會(huì)
和世界先進(jìn)國家的情況類似，我國高超聲速氣動(dòng)試驗(yàn)的研究也面臨著一系列的學(xué)科難題。例如，潔凈空氣介質(zhì)中超聲速燃燒規(guī)律、高超聲速流動(dòng)氣動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的多尺度效應(yīng)、高溫氣體效應(yīng)對高超聲速流動(dòng)氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱的影響規(guī)律、高超聲速飛行器外部與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)相互作用規(guī)律以及高超聲速繞流產(chǎn)生的空天飛行器光電特征等等，這些問題的實(shí)驗(yàn)研究
要求地面模擬試驗(yàn)?zāi)軓?fù)現(xiàn)真實(shí)的飛行條件，對目前的氣體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備提出了挑戰(zhàn)。面對這一挑戰(zhàn)，LHD的中青年科學(xué)家們堅(jiān)持沿著俞鴻儒院士關(guān)于爆轟驅(qū)動(dòng)的原創(chuàng)性思路不斷創(chuàng)新，通過四年的不懈努力，終于建成了這座世界上獨(dú)一無二的新型激波風(fēng)洞（參見圖2）。這是力學(xué)所在氫氧爆轟技術(shù)研究50年積累、爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞研制15年探索的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。它像一條超級的翔龍，可以復(fù)現(xiàn)高空25~40 km以及馬赫數(shù)5~9的高超聲速飛行條件。
圖2？ JF12爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞的照片（從真空段向上游方向看去）
新型激波風(fēng)洞由風(fēng)洞主體系統(tǒng)和風(fēng)洞附屬系統(tǒng)兩部分組成，其總長為265米，總重量約1000噸。風(fēng)洞主體系統(tǒng)包括卸爆段、爆轟驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段、噴管、試驗(yàn)測試段、真空段以及三個(gè)夾膜機(jī)構(gòu)、軌道支架和相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、模型支撐系統(tǒng)等部分。風(fēng)洞附屬系統(tǒng)則是由真空系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)、管體氣源配送和控制系統(tǒng)、監(jiān)控通訊和報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備和試驗(yàn)參數(shù)測試采集系統(tǒng)、光學(xué)測試系統(tǒng)等部分組成。它所達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下：
(1)試驗(yàn)氣流總溫：1600～3000K；
(2)試驗(yàn)氣流總壓：2～12Mpa；
(3)試驗(yàn)氣流馬赫數(shù)范圍：5～9；
(4)風(fēng)洞噴管出口直徑： 2.5m/ 1.5m；
(5)有效試驗(yàn)時(shí)間：～100ms；
(6)試驗(yàn)氣體為純凈空氣。
？
？？？ 從下面表1中所列的數(shù)據(jù)，可以看到JF12的性能參數(shù)完全可以和美國的加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞LENSII相媲美，其中有關(guān)試驗(yàn)氣流性能的關(guān)鍵參數(shù)（馬赫數(shù)、總溫）以及有效試驗(yàn)時(shí)間都有了大幅度的提高。而圖3則給出JF12流場評估的結(jié)果，它是在模擬飛行高度H＝35km、試驗(yàn)氣流馬赫數(shù)Ma＝7的狀態(tài)下測試的，在測量評估的截面上有40個(gè)測量點(diǎn)。評估結(jié)果表明：JF12風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段流場馬赫數(shù)分布的均勻性達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。
？
|
設(shè)備名稱 |
？ 驅(qū)動(dòng)段 ？ |
？ 被驅(qū)動(dòng)段 ？ |
速度 |
總溫 |
噴管直徑 |
試驗(yàn)時(shí)間 | ||
|
長度m |
內(nèi)徑mm |
長度m |
內(nèi)徑mm |
馬赫數(shù) |
K |
mm |
ms | |
|
LENS II |
18.3 |
610 |
30.5 |
610 |
4~7 |
<2000 |
1550 | |