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风洞实验室的历史发展讲解?

时间:2019-09-03来源:管理员浏览次数:

  飞机在试飞之前必须要经过密集的风洞测试,才能确定其气动性能,测量出飞机模型表面的压力、压强和流场,这样一来才能够获得飞机的各种数据,包括阻力、升力、加热特性等等,使得后续飞机的研制工作事半功倍。风洞的作用如此重要,以至于有人说飞机是“吹出来的”。

  风洞即风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

  风洞试验简单来说,是根据运动的相对性原理,将飞机模型固定在地面,人为制造气流流过,模拟真实飞行时飞机周围的空气流动情况,以研究飞机与空气流动的相互作用,了解飞机的空气动力学特性。

  世界上公认的第一个风洞是英国人韦纳姆于1869-1871年建成,并测量了物体与空气相对运动时受到的阻力。它是一个两端开口的木箱,截面45.7厘米×45.7厘米,长3.05米。

  1900年,美国的莱特兄弟建造了一个风洞,截面40.6厘米×40.6厘米,长1.8米,气流速度40-56.3千米/小时。为他们成功地进行世界上第一次动力飞行奠定了基础。1901年,莱特兄弟又建造了一个风速12米/秒的风洞,继续为他们的飞机进行有关的实验测试。

  我国建造风洞的历史可以追溯到1936年。当年建造的第一个风洞,在战争时被日军炸毁了,随后建造的风洞依然难逃厄运,为的就是遏制中国空气动力研究,而空气动力研究正是航空航天发展的基础,风洞试验的难度和重要性由此可见一斑。

  好在中国风洞起步晚,步子却不小。1968年钱学森、郭永怀倡议,在四川组建气动中心。目前,中国空气动力研究与发展中心已经成为我国规模最大、综合实力最强的风洞试验基地,是中国国家级空气动力试验、研究和开发中心,也是亚洲最大风洞群。包括低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞,具备开展低速试验、高速试验、噪声试验、结冰试验等一系列试验的能力。

  其中,用于解决飞机飞行降噪问题的航空声学风洞,背景噪声只有75.6分贝,目前是国际最高水平。此外,还包括亚洲首座大型结冰风洞、首次在2.4米风洞建立了工程实用的虚拟飞行试验平台、首次发现了漩涡破裂区域存在多螺旋结构等。

  中国空气动力研究与发展中心为我国武器装备发展和国民经济建设作出了重大贡献。从“歼-10”“枭龙”战机和“神舟”系列飞船,到磁悬浮、“和谐号”高速列车;从高达300多米的东方明珠塔,到横跨30多公里海面的杭州湾跨海大桥,都在这里进行过风洞试验。2010年5月,发展中心启动科研试验新区建设。

  多种新型飞机在科研试验新区首次实现了模型飞行试验,上百万组数据分类入库,中心目前已全面具备了风洞试验、数值计算和模型飞行三大手段。我国C919大型客机的许多风洞试验都是在这里开展的。

  风洞试验并不像看起来那样简单,“仿真性”是解决一切试验共同的难题。飞机在不同飞行阶段,遭遇各种气候条件,只要有试验需求,就要能够在风洞里面模拟出来相应的空气流动情况。

  要控制空气这个看不见摸不着的东西,难度着实不小。飞机飞行时,空气可是没有边界的,那在风洞这个有边界的地方,如何模拟没有边界的气流?飞机飞在空中是腾空而起,在风洞中却是支在一个架子上,气流受支架影响,其周边的气流会不会发生改变?这些问题的解决都必须靠风洞试验的数据来说话。

  说到风洞试验,离不开空气动力学上两个非常重要的概念:一是马赫数(Ma)。马赫数是风洞试验必须模拟的相似参数,风洞通常按照来流马赫数进行分类。马赫数马赫数=飞行速度/声速,用于表征飞行器的飞行速度,反映飞行器飞行时周围空气的压缩程度。按照马赫数的大小,风洞分为低速风洞(Ma<0.4):主要用于开展飞机起飞、着陆等空气动力试验研究。

  高速风洞(0.4≤Ma<5):高速风洞又可细分为跨声速风洞(0.4≤Ma<1.4)和超声速风洞(1.4≤Ma<5),主要用于各种航空飞行器空气动力试验研究。

  超高速风洞(Ma≥5):主要用于开展各种航天飞行器空气动力试验研究。二是雷诺数(Re)。雷诺数=惯性力/粘性力,用于表征飞机飞行时受到的粘性力,反映气流对飞机表面的粘性阻滞作用。

  飞机操纵面嗡鸣实验,对马赫数的大小很敏感。嗡鸣是飞机作跨声速飞行时由于翼面上的激波、波后的边界层分离和操纵面偏转的相互作用而产生的单自由度不稳定运动。发生嗡鸣会降低操纵效率甚至使操纵失效,严重时将导致结构的疲劳破坏。通过嗡鸣实验,可以确定飞机操纵面振动的性质,提供排除振动的方法和确定刚度指标。

  飞机结冰一直是飞行安全的大敌。实践表明,飞机结冰是飞机安全飞行的致命弱点之一,在世界军、民用飞机失事案例中占60%以上。以往,我们国家的飞机都要到国外去开展结冰风洞试验,2013年,我国终于建成了自己的结冰风洞,成为世界上第三个可以开展民机全研制过程结冰风洞试验的国家。通过结冰风洞试验,设计师们可以获得在不同气象条件下飞机的结冰位置和结冰冰型等,从而确定结冰容限及必须防除冰的表面,为飞机防除冰提供安全设计的依据。

  噪声水平是民机的重要技术指标。气动噪声风洞试验是飞机研制重要的地面试验项目,是评估飞机的适航符合性、舒适性、环保性以及声隐身等性能的重要依据。2019年5月20日,我国型号研制首次8米低速风洞(FL-10风洞)气动噪声试验在航空工业气动院顺利完成,宣告我国正式形成8米量级低速风洞气动噪声试验能力。

  风洞在建造之初便预留了消声室空间,通过风扇低噪声设计、动力段降噪、消声拐角导流片等多种手段,确保风洞自身具有低背景噪声特性。消声室长49米、宽33米、高26米,是目前国内规模最大的消声室,也是国内技术难度、实施难度最高的大型消声室。

  风洞试验测取的数据并不能完全代表真实情况,需要进行一系列的数据修正,才能获得压力分布这些后续设计必需的分析数据。而这是真正考验飞机设计师水平的地方。因此,现代飞机还必须开展高雷诺数风洞试验、动力影响试验、气动弹性风洞试验等一系列用于数据修正的风洞试验,建立起一套从“风洞数据”到“真实数据”的修正模型,保证试验数据的有效性。

  静气动弹性风洞实验是测量模型刚度对气动特性影响的实验。通常风洞实验中的模型都是用强度和刚度较大的金属制作的,而飞机的刚度比模型低得多。因此,需制造一种由金属作骨架、用轻木或塑料作填料、能模拟飞机各部件弯曲和扭转刚度的弹性模型,把它放在风洞中作模拟飞行条件的高动压实验,测量对模型刚度的影响,修正刚体模型实验的数据。

  可见,飞机的设计对风洞的依赖性很大。风洞试验作为飞机气动设计的重要手段,其最广为人知的作用就是飞机的气动布局设计。从第一架飞机约20个小时的风洞试验,到现在一般飞机型号所需的上万小时风洞试验,风洞试验技术一直伴随着飞机研制技术的发展而不断提高,重要性也愈加凸显。

  因此,在学术界,风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”,流传着“有什么样的风洞,才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。同时,风洞也被世界各国视为重要的战略资源。例如,50年代美国B-52型轰炸机的研制,曾进行了约1万小时的风洞实验,而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约10万小时的风洞实验。

  我国C919大型客机气动布局设计实现了综合减阻5%的目标,风洞试验功不可没。C919的气动布局是“常规布局”,但要实现这个“常规布局”也不是简单的事儿。“差之毫厘,谬以千里”这句古话用在飞机气动布局设计上再合适不过。

  拿飞机气动设计的核心——机翼设计来说,机翼剖面哪怕差个几毫米,对于飞机整个气动性能都有巨大影响,发动机吊在机翼的不同位置也颇多讲究。飞机的气动外形不存在“照葫芦画瓢”,每个型号都有独特的气动外形,飞机的主制造商对飞机的气动外形拥有完全自主知识产权。

  面向未来,风洞还承担着载人航天、火箭、航空发动机等众多启动数据的测量和关键结构设计任务,作为科技较量的制高点,我国空气动力研究能力将稳居第一梯队。

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