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摘要

       風(fēng)洞即風(fēng)洞實(shí)驗室，是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況，并可量度氣流對實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗設(shè)備。風(fēng)洞實(shí)驗是飛行器研制工作中的一個不可缺少的組成部分。它在航空和航天工程的研究和發(fā)展中起著重要作用，這種實(shí)驗方法，流動條件容易控制。實(shí)驗時，常將模型或?qū)嵨锕潭ㄔ陲L(fēng)洞中進(jìn)行反復(fù)吹風(fēng)，通過測控儀器和設(shè)備取得實(shí)驗數(shù)據(jù)。高超聲速風(fēng)洞是指馬赫數(shù)大于 5的超聲速風(fēng)洞，主要用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)的模型實(shí)驗。本文主要介紹常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和實(shí)驗所用高超聲速風(fēng)洞。

1. 引言

       風(fēng)洞（wind tunnel），是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣流的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動力實(shí)驗最常用、最有效的工具。風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成，各部分的形式因風(fēng)洞類型而異。風(fēng)洞種類繁多，有不同的分類方法。

       風(fēng)洞種類繁多，有不同的分類方法。按實(shí)驗段氣流速度大小來區(qū)分，可以分為低速、高速和高超聲速風(fēng)洞。

2. 高超聲速風(fēng)動

       高超聲速風(fēng)洞是指馬赫數(shù)大于 5的超聲速風(fēng)洞，主要用于導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)的模型實(shí)驗。實(shí)驗項目通常有氣動力、壓力、傳熱測量和流場顯示，還有動穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)模型燒蝕、質(zhì)量引射和粒子侵蝕測量等。高超聲速風(fēng)洞主要有常規(guī)高超聲速風(fēng)洞、低密度風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞等形式。

       高超聲速風(fēng)洞如要在風(fēng)洞中獲得更高 M數(shù)的氣流（例如M≥5）,一般來說單靠上游高壓空氣的吹沖作用還不能產(chǎn)生足夠的壓力差，這時在風(fēng)洞下游出口處接上一只容積很大的真空容器，靠上沖下吸便可形成很大的壓差，從而產(chǎn)生M≥5的高超音速氣流。不過氣流在經(jīng)過噴管加速到高超音速的過程中會急劇膨脹，溫度會隨之急劇下降，從而引起氣體的自身液化。為避免液化或模擬需要的溫度，必須在高超音速風(fēng)洞中相當(dāng)于穩(wěn)定段處裝設(shè)加熱裝置。高超音速風(fēng)洞依加熱原理和用途的不同有多種型式。暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞 較為典型，它很像常規(guī)的超音速風(fēng)洞。其他型式的風(fēng)洞有激波風(fēng)洞、炮風(fēng)洞、熱沖風(fēng)洞、長沖風(fēng)洞、氣體活塞式風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等（見超高速實(shí)驗設(shè)備）。中國氣動力研究和發(fā)展中心的高壓－引射驅(qū)動的暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞實(shí)驗段直徑為 0.5米。這個中心還建成一座實(shí)驗段直徑為2米的激波風(fēng)洞。

3. 常規(guī)高超聲速風(fēng)洞

       常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的運(yùn)行原理與超聲速風(fēng)洞相似，主要差別在于前者須給氣體加熱。因為在給定的穩(wěn)定段溫度下，實(shí)驗段氣流靜溫隨馬赫數(shù)增加而降低，以致實(shí)驗段氣流會出現(xiàn)液化。實(shí)際上，由于氣流膨脹過程很快，在某些實(shí)驗條件下，存在不同程度的過飽和度。所以，實(shí)際使用的穩(wěn)定段溫度可比根據(jù)空氣飽和曲線得到的溫度低。根據(jù)不同的穩(wěn)定段溫度，對實(shí)驗氣體采用不同的加熱方法。在通常情況下，氣體燃燒加熱器加熱溫度可達(dá)750開；鎳鉻電阻加熱器可達(dá)1000開；鐵鉻鋁電阻加熱器可達(dá)1450開；氧化鋁卵石床加熱器可達(dá)1670開；氧化鋯卵石床加熱器可達(dá)2500開；以高純度氮?dú)鉃閷?shí)驗氣體的鎢電阻加熱器可達(dá)2200開；石墨電阻加熱器可達(dá)2800開。早期常規(guī)高超聲速風(fēng)洞常采用二維噴管。在高馬赫數(shù)條件下，喉道尺寸小，表面高熱流引起的熱變形使喉道尺寸不穩(wěn)定，邊界層分布也非常不均勻，都會影響氣流均勻性。所以，后期大多數(shù)高超聲速風(fēng)洞安裝了錐形或型面軸對稱噴管。錐形噴管加工容易，但產(chǎn)生錐型流場，所以后來逐漸被型面噴管代替。在馬赫數(shù)大于 7的情況下，對高溫高壓下工作的噴管喉道，一般用水冷卻。

       常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的典型氣動性能以實(shí)驗馬赫數(shù)和單位雷諾數(shù)來表征。以空氣作實(shí)驗氣體的典型風(fēng)洞的實(shí)驗馬赫數(shù)為5～14,每米雷諾數(shù)的量級為3×106。為進(jìn)一步提高實(shí)驗馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，采用凝結(jié)溫度極低（4 開）的氦氣作實(shí)驗氣體，在室溫下馬赫數(shù)可達(dá)到25；加熱到1000開時馬赫數(shù)可達(dá)到42。

       世界上第一座常規(guī)高超聲速風(fēng)洞是德國在第二次世界大戰(zhàn)時建造的。這是一座暫沖式風(fēng)洞。馬赫數(shù)上限為10，實(shí)驗段尺寸為1米×1米。德國戰(zhàn)敗，風(fēng)洞未能完全建成。戰(zhàn)后，美國建造了多座尺寸在0.45米以上的常規(guī)高超聲速風(fēng)洞，少數(shù)為連續(xù)式，大多為暫沖式。

4.試驗所用高超聲速風(fēng)洞

       FD-07風(fēng)洞是一座自由射流暫沖式高超聲速風(fēng)洞，噴管出口直徑為0.5米，攻角機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的攻角變化范圍為-10° ~27°。洞體分馬赫數(shù)5~8和10~12兩條線。

圖1. 風(fēng)洞試驗臺

參考文獻(xiàn)

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