工业强国必须品:亚洲最大的中国航空风洞试验中心(图文)

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导读: [img]http://img5.itiexue.net/1268/12680309.jpg[/img] 绵阳风洞群 ——亚洲最大的航空风洞试验中心 ________________________________________ 工程总投资:— 工程期限:1976年——2020年 [img]http://img6.itiexue.net/1268/12680310.jpg[/img] 航空风洞(wind tunnel)是研制各种飞机导弹、宇宙飞船等航空航天器的必备设施,通过人工产生和控制


工业强国必须品:亚洲最大的中国航空风洞试验中心(图文)

绵阳风洞群

——亚洲最大的航空风洞试验中心

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工程总投资:—

工程期限:1976年——2020年

工业强国必须品:亚洲最大的中国航空风洞试验中心(图文)

航空风洞(wind tunnel)是研制各种飞机导弹、宇宙飞船等航空航天器的必备设施,通过人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象来研究航天器的气动特性,它是进行空气动力实验最有效的工具。


按气流速度分,风洞有亚音速风洞和超音速风洞两类。

小型风洞采用高速风扇提供风力,其风速都在每小时1200千米之内。而中型与大型风洞采用事先储存的气体在短暂的几秒,甚至几毫秒中释放,形成威力巨大的冲击风力。测试的对象越是先进高级,其检测的难度越大,风洞的规模也越大。例如美国和俄罗斯,他们的风洞内可放进整架飞机,不像其他国家的中小型风洞只能蚂蚁啃骨头似地以零代整分别测试。美国为了检测当前最昂贵的F一22隐形战斗机的特殊的菱形机身,动用了22种不同的风洞检测,得出机身表面每平方米的阻力系数仅为0.034。而美国的航天飞机“哥伦比亚号”反反复复做各种不同的风洞俭测达3万多小时,点点滴滴丝毫无误,确保了其飞行的安全与正常运转。然而建立一个大型风洞耗资非常巨大,美国在1968年建设的一个大型风洞,就耗费了5.5亿美元巨资,风洞是高科技设施,施工难度大,例如2.4米超音速风洞,仅在基础施工中便需浇注8000多吨水泥,打进地下的水泥柱多达700多个,最粗的达33米,其安装设备的难度也非常之高。


风洞检测除了应用于航空、航天器之外,在国民经济其他领域里也同样大显身手。例如用于各种材料的抗压抗热试验,汽车、高速列车、船只的空气阻力、耐热与抗压试验等等。

位于四川省绵阳市安县的中国空气动力研究与发展中心是我国最大的空气动力学研究、试验机构。主要运用风洞试验、数值计算和模型飞行试验三大手段,广泛开展空气动力学、飞行力学和风工程诸领域的研究工作。中心建有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群。其中2.4米跨声速风洞等8座为世界领先量级,可开展从低速到24倍超高声速,从水下、地面到94公里高空范围的气动试验研究。此外,这个中心还具有每秒14万亿次运算能力的计算机系统及各类飞行器彷真计算的应用软件体系;具备飞机和飞艇带飞、火箭助推的模型飞行试验和飞行力学研究能力,在无人飞行器的研制方面也取得重要成果。中心有一支实力雄厚的高科技队伍,其中,中国科学院院士和工程院院士各1名,高级职称300余人,出站博士后10人,博士50余人,硕士200余人,中青年专家5人。享受政府特殊津贴的科技人员90余人。中心设有研究生部,有博土学位和硕士学位授予权,设有力学学科博士后流动站。


目前,我国已经开展了47万余次风洞试验,成功解决了包括神舟载人飞船返回舱、逃逸飞行器的气动力和气动热等大量关键技术,以及其他航空航天飞行器和武器装备的关键气动问题。我国自行研制的各种航空航天飞行器和导弹、火箭都要在这里进行风洞试验。

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航空风洞发展简史


世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。美国的莱特兄弟于1901年建造了风速12米/秒的风洞,从而发明了世界上第一架飞机。风洞的大量出现是在20世纪中叶。德国在1907年就成立了“哥廷根空气动力试验院”,并在此后不惜巨资修建了一批低速、高速、超高速和特种风洞,在世界上率先研制出喷气式飞机、弹道导弹;美国于1915年成立了国家空气动力研究机构。到目前为止,我国已建成配套齐全功能完备的各类风洞140余座,在风洞试验、数值计算、模型飞行试验等领域取得长足进步,空气动力学设备、技术和人才均跨入国际先进行列。


1936年,清华大学建造了中国第一座自行设计的风洞。风洞采用回流式,最大直径为3米,试验段剖面为圆形,直径1.5米。4月24日,风洞第一次开车试验成功。该校王士倬等4人关于此风洞的论文被评为1936年中国工程师学会论文第一奖。1937年,该校在南昌建造成4.5米回流式大风洞,圆形剖面试验段正常直径为4.57米,可以缩小一半,也可放大到6米,最大气流速度58米/秒。1947年至948年,该校在北平又设计制造了铁壳风洞,椭圆形剖面试验段尺寸为0.762平方米×1.016平方米,气流速度约为40米~50米/秒。


在我国四川西北的群山深处,有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群,在世界上仅次于美国和前苏联。我国自行研制的各种航空航天飞行器,都要在这里进行空气动力试验。中国空气动力研究与发展中心自主设计、建设了亚洲规模最大、功能最完备的风洞群,拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备和特种试验设备主要有:8m×6m/16m×12m、4m×3m低速风洞和Φ3.2m亚声速风洞;Φ5m立式风洞、2.4m×2.4m跨声速风洞、1.2m×1.2m跨超声速风洞、Φ0.5m高超声速风洞;Φ2m激波风洞、Φ1m高超声速风洞、Φ0.3m高超声速低密度风洞、200m自由飞弹道靶等。

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探访绵阳风洞群

当时因为工作关系,我几乎见过中国所有的顶级风洞,包括大山里的那些风洞,以及中科院的一些特殊风洞。现在就挑一些有趣的风洞,大家可能没有听说过的,讲一讲:

当时我去参观山里的一个风洞,这是个不一般的风洞,叫做高温电弧风洞,是用来模拟火箭飞行或高超声速飞行器飞行的。风洞本身并不大,这类模拟极端条件的风洞都不大(大的风洞都是低速风洞,我见过的最大的可以放进去两辆汽车),但是奇怪的是哪个实验室的墙上的结构钢梁很奇怪,极其粗大,就这麽个一层楼的房子,好像没有必要。结果一介绍,原来那是输电“线”!高温电弧风洞要用电力来产生电弧,这些电线要传输上千乃至上万安培的电流,注意不是上万伏特,而是安培!要知道一般情况下,一安培就是不得了的电流了,那麽这几千上万安培的电流,通常意义上的“电线”根本承受不住,所以要用到这些很粗的钢梁来做输电“线”。这高温电弧风洞可是个很了不得的东西,世界上没有几家有。


给我们介绍的高工说,当时欧洲有个搞阿利亚娜火箭研究的代表团来交流,听说我们有这个东东,非要看一看,因为他们不相信我们能搞出这么个东西来。结果我们给他们看了,时间久远,那些个数据的量级我记不清了,反正是我们给他们看的那个风洞,好像是某个瞬时功率六百千瓦的,他们(欧洲代表团)极度震惊,因为我们不但有,而且功率比他们还高!高工说欧洲人之前说到他们的那个风洞的瞬时功率是四百千瓦,好像还挺得意的。这听起来挺让人高兴佩服的。可是事情没完,高工指着另外一间实验室里的风洞说,其实我们当时把这台风洞给遮住了,没给他们看,怕他们多问。你知道这台风洞的瞬时功率是多少麽?五万千瓦!比欧洲人知道的足足高了两个数量级!没办法呀,欧洲就是发个通信卫星什麽的,我们还要搞可以回收的卫星,还有要再入大气层后打到地上的洲际弹道导弹,那都是极度高温高速的飞行,没有这些个风洞,能行吗!有人老是说什麽造火箭没有飞机难,呵呵,不懂就不要瞎说,这下明白了吧。


还有某网友说到的用高速摄影机来记录的超声速风洞。这个我要澄清一下,明白超声速风洞的原理,要知道一些空气动力学的知识。超声速风洞不是在压缩段实现超声速的,反而是在扩散段,呵呵,去找本空气动力学的书看看吧。用高速摄影机的那种风洞,其实不能叫风洞了,它实际上是一个大炮,用氢气把模型从一头打到另一头,这种风洞不是用来研究飞机的气动原理的,而是用来搞弹道导弹的。在高超声速风洞中,还有一种风洞叫做激波风洞,当然,普通低超声速飞行也有激波问题,但是和高超声速飞行的激波问题不同,因为高超声速飞行中产生的激波中空气发生电离化,更加复杂。在用于飞机的气动研究的风洞中,还有一种比较难搞的风洞叫做跨音速风洞,研究的是飞机从亚音速过渡到超音速的气动原理,这个水平很高,我当时见到的高工们都很自豪。呵呵,十几年过去了,不知那些中国的气动人都怎么样了。

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风洞介绍


风洞就是用来产生人造气流(人造风)的管道。在这种管道中能造成一段气流均匀流动的区域,汽车风洞试验就在这段风洞中进行。汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的,比如奔驰公司的汽车风洞,其风扇直径就达8.5m,驱动风扇的电动功率高达4000kW,风洞内用来进行实车试验段的空气流速达270km/h。建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗 资数亿美元,甚至10多亿,而且每做一次汽车风洞试验的费用也是相当大的。


低速风洞的种类很多,除一般风洞外,有专门研究飞机防冰和除冰的冰风洞,研究飞机螺旋形成和改出方法的立式风洞,研究接近飞行条件下真实飞机气动力性能的全尺寸风洞,研究垂直短距起落飞机(V/STOL)和直升机气动特性的V/STOL风洞,还有高雷诺数增压风洞等。为了研究发动机外部噪声,进行动态模型实验,一些风洞作了改建以适应声学实验和动态实验要求。为了开展工业空气动力学研究,除了对航空风洞进行改造和增加辅助设备外,各国还建造了一批专用风洞,如模拟大气流动的速度剖面、湍流结构和温度层结的长实验段和最小风速约为0.2米/秒的大气边界层风洞,研究全尺寸汽车性能、模拟气候条件的汽车风洞,研究沙粒运动影响的沙风洞等。

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低速风洞


实验段气流速度在130米/秒以下(马赫数≤0.4)的风洞。世界上第一座风洞是F.H.韦纳姆于1869~1871年在英国建造的。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。美国的O.莱特和W.莱特兄弟在他们成功地进行世界上第一次动力飞行之前,于1900年建造了一个风洞,截面40.6厘米×40.6厘米,长1.8米,气流速度为40~56.3千米/小时。以后,许多国家相继建造了不少较大尺寸的低速风洞。基本上有两种形式,一种是法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞;另一种是德国人L.普朗特设计的回流式风洞。现在世界上最大的低速风洞是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。这个风洞建成后又增加了一个24.4米× 36.6米的新实验段,风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦。低速风洞实验段有开口和闭口两种形式,截面形状有矩形、圆形、八角形和椭圆形等,长度视风洞类别和实验对象而定。60年代以来,还发展出双实验段风洞,甚至三实验段风洞。图2为中国气动力研究与发展中心的8米(宽)×6米(高)、16米(宽)×12米(高)闭口串列双实验段开路式风洞示意图。

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