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2024.8.8
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【原创】创新构建25马赫空天飞机的实验风洞
文/简浩
特超高音速空天飞机(“空天巴士”)是当今世界竞相研发的尖端飞行器,为此必需配套研发系统和产业体系,首先需要构建能够达到25马赫的特超高音速空天飞机的实验风洞,而目前世界上还没一家有这种特超高音速风洞,世界范围的风洞设计总体科学理念还有差距,根本原因是还没有完全吃透空气力学,处于僵化教条、常规思维、胶着状态,因此,要创新特超高音速实验风洞的设计构建,25马赫特超高音速空天飞机是时代需要、体系需要、产业需要、引领需要、战略需要、强国需要。
25马赫特高超音速“空天巴士”,时速3万1千公里,上海飞纽约只需半个小时,由于特超高速,空天飞机可以摆脱地球的吸引力,实现空天自由往返,超越导弹的飞行速度,因此也不需要隐身,既可作为空天载人的世界客运往返飞行,亦可作为航天飞机,还可解决替代火箭重复利用来进行投放太空卫星,战略意义和商业价值都非常重大,是人类的飞行技术、太空技术的又一次技术跨跃,既是镇国之宝,亦是飞行革命。当然,开发25马赫特高超音速飞行器有很多难以跨越的技术障碍。
音速等于通常表达的是在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒,约合1224千米/时。马赫表示的是速度量词,也称马赫数,这是为纪念奥地利学者恩斯特·马赫发现创立的音速学说。一马赫等于一倍音速即340米/秒。声音在空气中的传播速度会随着不同的条件而变化,所以马赫也是一个相对单位,每1马赫的速度在不同条件下并不是固定不变。
风洞就是用来产生人造气流或称人工造风的管道。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可或缺的组成部分,设计新型飞行器必须经过风洞实验,特别是超音速飞机、导弹等飞行器,都需要经过风洞实验。比如上世纪50年代,美国B-52重型远程战略轰炸机的研制,曾进行了约1万小时的风洞实验,上世纪80年代初,经过十年的研制开发,美国第一架航天飞机哥伦比亚号的研制就进行了约10万小时的风洞实验。
举个例子,12级台风的风速只有每秒33米,16~17级的超强台风大于每秒51米,50米/秒风速的概念就超过飓风,声音与震动,几乎惊天动地。
风洞建设是一个涉及多学科、跨专业的系统集成课题,其中包含气动力学、气动热学、气动物理、气动光学、材料科学、声学等20多个专业领域。
下面我来概述世界各国风洞实验装备的现状,并简要阐述特超高速实验风洞创新构建的流体力学辨证理念。
一、世界各国风洞实验装备的现状
首先说明,世界各国的风洞形式和力学理念几乎是大同小异,基本雷同。
1、低速风洞,最早一种是法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞,还有一种是德国人L.普朗特设计的回流式风洞。美国国家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速风洞,风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦。
雷诺系数(Re)是低速风洞实验的主要模拟参数,计算公式:Re=ρvd/η,式中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与粘度,d为管道直径。Re<2300为层流状态,Re>10000为完全湍流状态。雷诺数是1883年英国人雷诺(O.Reynolds)首先提出推导。
2、亚声速风洞的马赫数为0.4~0.7。
3、跨声速风洞的马赫数为0.5~1.3。
4、超声速风洞的气流马赫数为1.5~4.5的风洞,产生超声速气流需要的动力约为16000~40000千瓦,主要适用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。
5、高超声速风洞马赫数大于5的超声速风洞,用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。
6、低密度风洞形成稀薄(低密度)气体流动的高超声速风洞。
7、激波风洞利用激波压缩实验气体,再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。
8、热冲风洞利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩实验气体,产生高超声速气流的风洞。
二、特超高音速实验风洞创新构建的流体力学辨证理念
我曾经历一个退休富有高级经验的北大教授老板做的标定风洞建设,采用的是世界惯例风洞设计构建,使用的单机18千瓦动力,但既使开到最高马达转速,还使用小口径管道,风速也只能最高45米/秒。我曾去过法定权威的计量科学院庞大系统的基准标定风洞,最高检定风速也只有每秒60米。
为了满足高速用户需要,我研制的风洞采用了非常规的设计构建理念,使用同样的单机18千瓦动力,我的单机马达变频调速器却只开到马达额定转速的1/4,风速就已达到65米/秒,而且成本低、占地少、材料省、规模小、安全可靠、操作简便等优势。显然,这里说明了一个空气力学问题,其中就是空气动力学的奥妙!很多高速飞机、喷气发动机、冲压喷气发动机的技术难题都涉及空气力学这些奥妙。
如果按照常规思维,吃不透气动力学的奥妙,那就根本无法或就不可能构建25马赫的风洞实验室。
25马赫特高超音速风洞实验室,气体分子与金属管道的猛烈磨擦与撞击,那就意味着气流管道会热的发红!而实验物体的金属也同样会热的发红!尤其在地面实验的空气密度高,更会热的强烈。
如果没有25马赫的高超音速风洞实验室,设计开发25马赫特超高音速空天飞机将会困难重重。
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