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中科院力學所
JF12高超聲速激波風洞（5）
力學園地
2016年01月04日
編者按：中國科學院力學研究所的高溫氣體動力學國家重點實驗室（LHD）在國家重大科研裝備研制計劃的支持下，于2008年1月正式啟動了“復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞”項目。在姜宗林研究員的主持下，LHD的相關研究團隊經(jīng)過數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務。目前該風洞命名“JF12高超聲速激波風洞”，并已正式運行。本刊將陸續(xù)介紹JF12風洞研制的背景與意義，風洞原理與關鍵技術的突破，以及利用它開展國家重大項目與學科前沿研究的情況。
2012年5月14日，JF12爆轟驅動高焓激波風洞順利地通過了專家的驗收。驗收委員會一致認為：“該項目面向國家重大項目和學科研究需求，利用中科院力學所獨創(chuàng)的反向爆轟驅動方法，進一步提出了激波管縫合運行、噴管起動激波干擾的弱化、高壓爆轟驅動、二次波運動及其控制等系列激波風洞創(chuàng)新技術，研制成功了國際首座可復現(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、試驗氣體為潔凈空氣、試驗時間超過100 ms的超大型高超聲速激波風洞，整體性能處于國際領先水平。”
和世界先進國家的情況類似，我國高超聲速氣動試驗的研究也面臨著一系列的學科難題。例如，潔凈空氣介質中超聲速燃燒規(guī)律、高超聲速流動氣動模擬實驗的多尺度效應、高溫氣體效應對高超聲速流動氣動力/氣動熱的影響規(guī)律、高超聲速飛行器外部與發(fā)動機內部流動相互作用規(guī)律以及高超聲速繞流產生的空天飛行器光電特征等等，這些問題的實驗研究
要求地面模擬試驗能復現(xiàn)真實的飛行條件，對目前的氣體動力學實驗裝備提出了挑戰(zhàn)。面對這一挑戰(zhàn)，LHD的中青年科學家們堅持沿著俞鴻儒院士關于爆轟驅動的原創(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一無二的新型激波風洞（參見圖2）。這是力學所在氫氧爆轟技術研究50年積累、爆轟驅動激波風洞研制15年探索的基礎上實現(xiàn)的。它像一條超級的翔龍，可以復現(xiàn)高空25~40 km以及馬赫數(shù)5~9的高超聲速飛行條件。
新型激波風洞由風洞主體系統(tǒng)和風洞附屬系統(tǒng)兩部分組成，其總長為265米，總重量約1000噸。風洞主體系統(tǒng)包括卸爆段、爆轟驅動段、被驅動段、噴管、試驗測試段、真空段以及三個夾膜機構、軌道支架和相應的液壓驅動系統(tǒng)、模型支撐系統(tǒng)等部分。風洞附屬系統(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)控通訊和報警系統(tǒng)、設備和試驗參數(shù)測試采集系統(tǒng)、光學測試系統(tǒng)等部分組成。它所達到的主要性能指標如下：
(1)試驗氣流總溫：1600～3000K；
(2)試驗氣流總壓：2～12Mpa；
(3)試驗氣流馬赫數(shù)范圍：5～9；
(4)風洞噴管出口直徑： 2.5m/ 1.5m；
(5)有效試驗時間：～100ms；
(6)試驗氣體為純凈空氣。
？
？？？ 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動風洞LENSII相媲美，其中有關試驗氣流性能的關鍵參數(shù)（馬赫數(shù)、總溫）以及有效試驗時間都有了大幅度的提高。而圖3則給出JF12流場評估的結果，它是在模擬飛行高度H＝35km、試驗氣流馬赫數(shù)Ma＝7的狀態(tài)下測試的，在測量評估的截面上有40個測量點。評估結果表明：JF12風洞實驗段流場馬赫數(shù)分布的均勻性達到了國家標準。
？
JF12高超聲速激波風洞（5）
？
是世界上獨一無二的激波風洞嗎？2012年5月14日，JF12爆轟驅動高焓激波風洞順利地通過了專家的驗收。驗收委員會一致認為：“該項目面向國家重大項目和學科研究需求，利用中科院力學所獨創(chuàng)的反向爆轟驅動方法，進一步提出了激波管縫合運行、噴管起動激波干擾的弱化、高壓爆轟驅動、二次波運動及其控制等系列激波風洞創(chuàng)新技術，研制成功了國際首座可復現(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、試驗氣體為潔凈空氣、試驗時間超過100 ms的超大型高超聲速激波風洞，整體性能處于國際領先水平。”
圖1 JF12高超聲速風洞專家驗收會
和世界先進國家的情況類似，我國高超聲速氣動試驗的研究也面臨著一系列的學科難題。例如，潔凈空氣介質中超聲速燃燒規(guī)律、高超聲速流動氣動模擬實驗的多尺度效應、高溫氣體效應對高超聲速流動氣動力/氣動熱的影響規(guī)律、高超聲速飛行器外部與發(fā)動機內部流動相互作用規(guī)律以及高超聲速繞流產生的空天飛行器光電特征等等，這些問題的實驗研究
要求地面模擬試驗能復現(xiàn)真實的飛行條件，對目前的氣體動力學實驗裝備提出了挑戰(zhàn)。面對這一挑戰(zhàn)，LHD的中青年科學家們堅持沿著俞鴻儒院士關于爆轟驅動的原創(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一無二的新型激波風洞（參見圖2）。這是力學所在氫氧爆轟技術研究50年積累、爆轟驅動激波風洞研制15年探索的基礎上實現(xiàn)的。它像一條超級的翔龍，可以復現(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爆轟驅動高焓激波風洞的照片（從真空段向上游方向看去）
新型激波風洞由風洞主體系統(tǒng)和風洞附屬系統(tǒng)兩部分組成，其總長為265米，總重量約1000噸。風洞主體系統(tǒng)包括卸爆段、爆轟驅動段、被驅動段、噴管、試驗測試段、真空段以及三個夾膜機構、軌道支架和相應的液壓驅動系統(tǒng)、模型支撐系統(tǒng)等部分。風洞附屬系統(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)控通訊和報警系統(tǒng)、設備和試驗參數(shù)測試采集系統(tǒng)、光學測試系統(tǒng)等部分組成。它所達到的主要性能指標如下：
(1)試驗氣流總溫：1600～3000K；
(2)試驗氣流總壓：2～12Mpa；
(3)試驗氣流馬赫數(shù)范圍：5～9；
(4)風洞噴管出口直徑： 2.5m/ 1.5m；
(5)有效試驗時間：～100ms；
(6)試驗氣體為純凈空氣。
？
？？？ 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動風洞LENSII相媲美，其中有關試驗氣流性能的關鍵參數(shù)（馬赫數(shù)、總溫）以及有效試驗時間都有了大幅度的提高。而圖3則給出JF12流場評估的結果，它是在模擬飛行高度H＝35km、試驗氣流馬赫數(shù)Ma＝7的狀態(tài)下測試的，在測量評估的截面上有40個測量點。評估結果表明：JF12風洞實驗段流場馬赫數(shù)分布的均勻性達到了國家標準。
？
|
設備名稱 |
？ 驅動段 ？ |
？ 被驅動段 ？ |
速度 |
總溫 |
噴管直徑 |
試驗時間 | ||
|
長度m |
內徑mm |
長度m |
內徑mm |
馬赫數(shù) |
K |
mm |
ms | |
|
LENS II |
18.3 |
610 |
30.5 |
610 |
4~7 |
<2000 |
1550 | |