【营员随笔】震惊!一根钢管竟然还能这样玩!——杨雨龙(北京)

  • 文图/杨雨龙
  • 创建于 2018-07-28
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  7月27日,UCAS夏令营的同学们参观了中科院力学所的JF-12高超声速风洞。从外表看来,超声速风洞似乎就像一根长长的钢管,上面接了几个大大小小的不同颜色的罐子。外表如此简单的装备,为何会成为教授口中的“国之重器”,又成为全世界争相研发的尖端科技呢?下面让我们来一探究竟。


  在航空发展的早期,英国军事工程师、数学家Benjamin Robins(1707-1751)发明了一种旋臂机装置来测算物体空气阻力的大小。它的主要部件是一根水平的横杆,固定在一根垂直轴上,杆的前端可安装待检定的风速计,旋臂旋转的动力由重物沿滑轮下落提供,使仪器在xy平面内作圆周运动。旋臂顶端的线速度很容易确定,只要室内的空气保持静止,其顶端的线速度就相当于仪器不动时气流的速度。(即v=ωR)Robins描述了旋臂机测量阻力的原理:“当旋臂和物体的阻力小于重物M的重量,重物将加速下落,因而带动实验物体旋转,这又导致阻力增加,直到这个阻力与重物近乎相等为止······因此不难设想,通过合适的观察和实验,物体的阻力便能确定下来”。

  这种设备一定程度上解决了空气动力试验装备“有无”的问题,而其设计原理所带来的问题亦十分明显:当旋臂转速加大后,由于它的带动,室内气流将失去相对静止状态,造成检定误差。同时,由于所受实验的零件各部分的轨迹是由曲线的缘故,与零件直接直接接触的空气质点,遭受着离心力的影响,这种力量引起了零件压力中心移向离心力的作用方向,使问题变得更加复杂化,在实验中要加入相当程度的修正。

  由于这些问题,人们开始思考一种更可靠的模拟试验方法,如果直接用风机产生的平稳气流直接在密闭空间内吹过模型,不一样能模拟物体的飞行状态吗?于是便有了风洞的概念。在1871年,英国航空学会的Francis Herbert Wenham设计第一个封闭式风洞来解决这些问题。

  风洞从风速上区分,主要分为亚声速风洞(M0.4-M0.7)、跨声速风洞(M0.5-M1.3)、超声速风洞(M1.5-M4.5)与高超声速风洞(M5.0+)。从结构上分,亚声速风洞又分为直流式与回流式;超声速及更高速的风洞又分为激波风洞、炮风洞、热冲风洞等等。一般的风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。

  洞体部分有一个能对模型进行必要测量和观察的实验段。实验段上游有稳定气流的稳定段和使气流加速到所需流速的收缩段或喷管。实验段下游通常有减少能量损失的扩压段和将气流引向风洞外的排出段或导回到风洞入口的回流段。有时为了降低风洞内外的噪声,一些风洞装有消声器。

  起初,科研工作者们想象的很简单:用一根管子,装上很大的电风扇,不就能模拟均匀的气流吗?他们成功地制造出了亚声速风洞:它们通常以电机作为动力系统,风速约在0.2-0.8马赫之间,一般可以满足建筑、桥梁模型,汽车,客机,旋翼机等的测试需求。

  但在研究的过程中,科研人员发现,当风洞中气流在实验段内最小截面处达到声速之后,即使再如何增大驱动功率或压力,实验段气流的速度也不再增加,这种现象后来被称为壅塞。而随着航空乃至航天技术的进步,人们已经不再满足于声速以下的飞行。而超声速飞行下的空气力学特性,则与亚声速时相去甚远。在超声速探索的早期,人们因为缺乏相关的认识与设备,挖空心思想出各种替代方案,也曾付出过惨痛的代价。如第一种实用化的喷气机Me-262,曾多次被认为因在俯冲中达到声速而解体或失控。而在“双二”飞机研发的早期,F-104的总设计师也曾因为缺乏实验设施而向陆军“借”了500枚114mm火箭弹,直接在火箭弹上加装传感器和机翼模型以测试飞机的气动外形。由此不难看出,仅有的亚声速风洞对于步入超声速阶段的人类航空技术的无能为力,人们开始为打造超声速风洞而努力。

  而超声速风洞的打造也可以从生活中的两样物品找到灵感:气球和罐头。

  相信大家小时候都玩过气球,气球充满气后,松开手,气球便会向后喷气而飞走;而在开启罐头时,我们时常能听到“啵”的一声。这两种现象,都是由于容器内外存在压力差而产生的。气球内部压力大,气体向外吹;罐头内部抽了真空,气体就向里面流。倘若压差够大,这两种作用所产生的气流非常强,以至于能够抵消激波阻力,继续提高气流速度。

  超声速风洞便主要依据这两种原理建成,用白话说来,超声速风洞就分为“吹式”,“吸式”和“前吸后吹式”,它们的原理都是通过制造试验段前后的极大压差而实现的。终于在1905年,德国建成了第一座超声速风洞,最高速度达到了M1.5,突破了声速的障碍。但受限于工作原理,超声速风洞的试验段一般远小于亚声速风洞,而持续工作时间更是只有短短的几十毫秒。就像气球一样,气跑完了,气球也就落地了。一般的超声速风洞,试验段截面积更是只有不到0.5m*0.5m的大小,只能放入极小的缩比模型。而在空气动力学领域,极小比例的缩比模型误差较大,甚至可以达到50%,这对于研究工作的后续开展,是极为不利的。

  而中科院力学所的JF12通过创新工作原理,实现了直径3.5m,长8m试验段的130ms工作时间,对于研究高超音速领域的研究者,这台设备从数量级上增长了测试物体的大小,使高超音速风洞的实物测试成为可能。可以说,这简直是航空航天专家的“梦幻装备”,有了它,中国的导弹,火箭,空天飞机,再入式滑翔飞行器都将迈上新的台阶。

  至此,我们简要的了解了风洞装置的前世今生。相信在风洞的轰鸣中,一代又一代的科研工作者将会把中国航空航天事业推上新的高峰。而想要更好的了解这些地上卧着的“铁龙”,我们年青一代也更要牢记“志向,使命,成就”,以崭新的面貌迎接属于我们的生活,投身对口专业的建设,亲手建设属于我们的新时代!