JF-12复现高超声速飞行条件长试验时间激波风洞

激波与爆轰物理2020-04-14图片

适逢其时

高超声速科技是21世纪航空航天核心关键技术,对人类社会发展和国际战略格局变换将产生重大影响,已经成为国际航空航天大国的国家发展战略。高超声速飞行伴随着强激波与热化学反应的耦合效应,使得高温气体动力学成为气体动力学的学科前沿。风洞一直是推动新型飞行器研发的科研重器,一代风洞技术水平决定一代飞行器的研制水平,代表了一个国家在航空航天领域的研发能力。高超声速独有的高温气体效应颠覆了传统风洞实验的相似模拟准则,亟待研制能够复现高超声速飞行条件的先进风洞技术,而相关的复现风洞理论与技术是60年来久攻未破的世界难题,成为制约着高超声速科技发展的瓶颈之一。

在中国科学院力学研究所建立初期,钱学森和郭永怀同志布局了高超声速相关基础研究,并安排俞鸿儒发展激波管技术,探索高超声速地面实验方法与技术。俞鸿儒不负重托,矢志不移、探索不息,于1998年建立激波风洞爆轰驱动方法。俞鸿儒培育的科研团队逐渐壮大,先后建立中国科学院开放实验室和中国科学院重点实验室。1999年,俞鸿儒通过中国科学院“百人计划”引进姜宗林接替实验室主任。历经10余年努力,姜宗林带领团队于2011年建立高温气体动力学国家重点实验室并担任首任主任。高温气动团队勇于探索、持续努力,拓展了爆轰驱动方法,建立了长试验时间激波风洞理论与方法,发展了先进的试验技术,形成了系统的高超声速复现风洞的理论和完整的技术体系。60年的积累和沉淀为自主研制国际首座高超声速复现风洞奠定了坚实基础。图片

适逢《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》出台,需要探索独立自主发展我国重大先进科研装备的途径,实现我国科技能力的跨越式发展。“复现高超声速飞行条件激波风洞”获得财政部首批“国家重大科研装备研制项目”支持。图片

高超巨龙

复现高超声速飞行条件激波风洞(以下简称“ JF-12复现风洞”)重大科研装备项目于2008年1月立项启动。并于2012年5月通过验收。国家重大项目验收委员会一致给予高度评价:“研制的国际首座复现高超声速飞行条件激波风洞,整体性能处于国际领先水平,同时实现了‘复现气流总温和总压’‘产生纯净实验气体’‘基本满足试验时间需求’‘全尺寸或接近全尺寸模型试验’ 4项关键技术指标,实现了我国超声速飞行器地面试验的复现能力。”图片

这座面向国家重大科技项目和学科基础研究需求,利用中科院力学所独创的反向爆轰驱动方法,进一步提出了激波管缝合运行、喷管起动、激波干扰的弱化、高压爆轰驱动、二次波的运动及其控制等系列激波风洞创新技术,研制成功的超大型高超声速激波风洞,可复现25-40 km高空、马赫数5-9飞行条件、喷管出口直径Φ2.5/Φ1.5m、试验气体为洁净空气、试验时间超过100ms。图片

屡获殊荣

2014年,JF-12复现风洞被中国力学学会授予首届“中国力学科学进步奖一等奖”(唯一)

2016年6月,美国航空航天学会(AIAA)授予姜宗林“ AIAA Ground Testing Award”(AIAA地面试验奖)。AIAA奖励委员会在评价中写道:他们的工作达到了大型高超声速风洞的世界领先水平,创造了爆轰驱动高超声速复现风洞,其设计不用移动部件,能够比传统激波风洞产生实验时间更长、能量更高的实验气流。姜宗林的这次获奖系该国际奖项设立40余年来中国学者首次获奖,也是亚洲地区科学家首次获奖图片

2017年1月,JF-12复现风洞获得“国家技术发明奖二等奖”,研制集体获得“中国科学院杰出科技成就奖”图片图片图片

关键技术

基于系统的复现风洞理论,通过JF-12复现风洞的研制,建立了完整的复现风洞实验技术体系,其核心技术可以概括为3个方面:

1

大功率激波风洞爆轰驱动技术

复现高超声速飞行条件要求风洞具有极高的输出功率,国际主流机械压缩驱动模式达到了技术瓶颈。建立的国际首创大功率爆轰驱动技术集成了反向爆轰耦合卸爆技术、临界膜片技术和能量逐级放大直接起爆技术,实现了化学能对机械能驱动模式的替代和驱动能力的量级提升。

2

长实验时间激波风洞技术

激波风洞是最具复现高超声速飞行条件潜力的实验装置,但其应用范围受限于极短的实验时间(毫秒级)。长实验时间激波风洞技术集成爆轰驱动激波风洞缝合运行技术、真空系统启动激波反射干扰控制和激波/边界层干涉试验气体污染抑制技术,实现了高焓激波风洞实验时间的成倍增加。

3

复现风洞高精度测量技术

高超声速流动的大载荷、强冲刷、高热流等极端因素使得气动力/热高精度测量成为国际难题。针对JF-12复现风洞的极端测量环境,发展的高频响大量程测力系统一体化设计、天平干扰信号波系适配分离和高精度热电偶技术,把高焓激波风洞测力精度提高1个量级、测热精度提高1倍。

资料来源:

http://lhd.imech.cas.cn/kyzb/201307/t20130723_116734.html

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2018/Z1/2018Z110.htm

http://lxyd.imech.ac.cn/info/detail.asp?infono=21373

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