高超音速風(fēng)洞相關(guān)報(bào)道

中國(guó)成功研制國(guó)際首座高超聲速風(fēng)洞

據(jù)《中科院之聲》雜志5月24日?qǐng)?bào)道，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員姜宗林以創(chuàng)立高超聲速?gòu)?fù)現(xiàn)風(fēng)洞技術(shù)，研制成功JF12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，榮獲2016年度美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)地面試驗(yàn)獎(jiǎng)（AIAA Ground testing Award for 2016），成為該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立四十多年來(lái)首位獲獎(jiǎng)的亞洲學(xué)者。

風(fēng)洞（wind tunnel）即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況，并可量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀(guān)察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備。先進(jìn)風(fēng)洞一直是飛行器研制的主要手段，地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)代表著航空航天領(lǐng)域戰(zhàn)略發(fā)展實(shí)力，一代風(fēng)洞技術(shù)決定一代飛行器的研發(fā)水平。

姜宗林和中科院院士俞鴻儒帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直潛心致力于高焓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的探索研究，提出了系統(tǒng)的爆轟驅(qū)動(dòng)方法與長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間激波風(fēng)洞理論，建立了高超聲速?gòu)?fù)現(xiàn)風(fēng)洞技術(shù)體系，成為空氣動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的典范。

JF12被國(guó)際上稱(chēng)為“高超巨龍”（Hyper Dragon），是世界最大的激波風(fēng)洞，也是國(guó)際首座可復(fù)現(xiàn)飛行條件的高超聲速風(fēng)洞，成就了我國(guó)獨(dú)立自主研究先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝備的先例。復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞理論和技術(shù)解決了困擾高超聲速地面試驗(yàn)六十年的世界難題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)從流動(dòng)“模擬”到“復(fù)現(xiàn)”的跨越，引領(lǐng)了國(guó)際先進(jìn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。 2100433B

高超音速風(fēng)洞與超音速風(fēng)洞相比較，相同之處在于，高超音速風(fēng)洞也有連續(xù)式和間歇式兩種形式，不同之處在于，在高超音速風(fēng)洞中都安裝了空氣加熱器；高超音速風(fēng)洞的壓強(qiáng)比顯著高于超音速風(fēng)洞。高超音速風(fēng)洞中氣流總溫高，會(huì)使噴管喉部過(guò)熱，須采取冷卻措施；高超音速?lài)姽艿那谛螤钭兓瘎×?，喉部窄小，且高溫下易變性，故通常采用軸對(duì)稱(chēng)型噴管。高超音速風(fēng)洞大多是間歇式的，且以吹-吸式較為多見(jiàn)。加熱器如果采用電阻式加熱器，可使氣流總溫加熱到約1500K。這一溫度能使氣流在馬赫數(shù)約低于14范圍內(nèi)不致于液化，但只能模擬馬赫數(shù)為6以下的焓值，不能模擬高超音速范圍內(nèi)更高馬赫數(shù)時(shí)的焓值。

高超音速風(fēng)洞，是指實(shí)驗(yàn)段馬赫數(shù)范圍約為5~14，氣流溫度高到能防止氣流等熵膨脹到上述馬赫數(shù)時(shí)在實(shí)驗(yàn)段發(fā)生液化，而沒(méi)有高到足以產(chǎn)生真實(shí)氣體效應(yīng)的風(fēng)洞。

高超音速飛行器主要包括3類(lèi)：高超音速巡航導(dǎo)彈、高超音速飛機(jī)以及空天飛機(jī)。由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）聯(lián)合主持研制的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)——乘波飛行器X－51就是高超音速巡航導(dǎo)彈的原形，它采用的超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是繼螺旋槳和噴氣推進(jìn)之后的“第三次動(dòng)力革命”——相比之下，美軍裝備最多的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈僅能以亞音速緩慢飛行，根本沒(méi)法和X－51相提并論。

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

風(fēng)洞低速風(fēng)洞

許多國(guó)家相繼建造了不少較大尺寸的低速風(fēng)洞?；旧嫌袃煞N形式，一種是法國(guó)人A.-G.埃菲爾設(shè)計(jì)的直流式風(fēng)洞；另一種是德國(guó)人L.普朗特設(shè)計(jì)的回流式風(fēng)洞，圖1是這兩種風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖?，F(xiàn)在世界上最大的低速風(fēng)洞是美國(guó)國(guó)家航空和航天局(NASA)埃姆斯(Ames)研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速風(fēng)洞。這個(gè)風(fēng)洞建成后又增加了一個(gè)24.4米× 36.6米的新實(shí)驗(yàn)段，風(fēng)扇電機(jī)功率也由原來(lái)25兆瓦提高到100兆瓦。

低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段有開(kāi)口和閉口兩種形式，截面形狀有矩形、圓形、八角形和橢圓形等，長(zhǎng)度視風(fēng)洞類(lèi)別和實(shí)驗(yàn)對(duì)象而定。60年代以來(lái)，還發(fā)展出雙實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞，甚至三實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞。

風(fēng)洞就是用來(lái)產(chǎn)生人造氣流(人造風(fēng))的管道。在這種管道中能造成一段氣流均勻流動(dòng)的區(qū)域，汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)就在這段風(fēng)洞中進(jìn)行。

在低速風(fēng)洞中，常用能量比Er衡量風(fēng)洞運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。式中v0和A0分別為實(shí)驗(yàn)段氣流速度和截面積；ρ為空氣密度；η和N 分別為驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)效率和電機(jī)的輸入功率。對(duì)于閉口實(shí)驗(yàn)段風(fēng)洞Er為3～6。雷諾數(shù)Re是低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的主要模擬參數(shù)，但由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象和項(xiàng)目不同，有時(shí)尚需模擬另一些參數(shù)，在重力起作用的一些場(chǎng)合下（如尾旋、投放和動(dòng)力模型實(shí)驗(yàn)等）還需模擬弗勞德數(shù)Fr，在直升機(jī)實(shí)驗(yàn)中尚需模擬飛行馬赫數(shù)和旋翼翼尖馬赫數(shù)等。

低速風(fēng)洞的種類(lèi)很多，除一般風(fēng)洞外，有專(zhuān)門(mén)研究飛機(jī)防冰和除冰的冰風(fēng)洞，研究飛機(jī)螺旋形成和改出方法的立式風(fēng)洞，研究接近飛行條件下真實(shí)飛機(jī)氣動(dòng)力性能的全尺寸風(fēng)洞，研究垂直短距起落飛機(jī)(V/STOL)和直升機(jī)氣動(dòng)特性的V/STOL風(fēng)洞，還有高雷諾數(shù)增壓風(fēng)洞等。為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)外部噪聲，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)，一些風(fēng)洞作了改建以適應(yīng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)要求。為了開(kāi)展工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)研究，除了對(duì)航空風(fēng)洞進(jìn)行改造和增加輔助設(shè)備外，各國(guó)還建造了一批專(zhuān)用風(fēng)洞，如模擬大氣流動(dòng)的速度剖面、湍流結(jié)構(gòu)和溫度層結(jié)的長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)段和最小風(fēng)速約為0.2米/秒的大氣邊界層風(fēng)洞，研究全尺寸汽車(chē)性能、模擬氣候條件的汽車(chē)風(fēng)洞，研究沙粒運(yùn)動(dòng)影響的沙風(fēng)洞等。

直流式閉口實(shí)驗(yàn)段低速風(fēng)洞是典型的低速風(fēng)洞。在這種風(fēng)洞中，風(fēng)扇向右端鼓風(fēng)而使空氣從左端外界進(jìn)入風(fēng)洞的穩(wěn)定段。穩(wěn)定段的蜂窩器和阻尼網(wǎng)使氣流得到梳理與和勻，然后由收縮段使氣流得到加速而在實(shí)驗(yàn)段中形成流動(dòng)方向一致、速度均勻的穩(wěn)定氣流。在實(shí)驗(yàn)段中可進(jìn)行飛機(jī)模型的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，以取得作用在模型上的空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種風(fēng)洞的氣流速度是靠風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來(lái)控制的。中國(guó)氣動(dòng)力研究和發(fā)展中心已建成一座開(kāi)路式閉口串列雙試段大型低速風(fēng)洞，第一實(shí)驗(yàn)段尺寸為12×16×25米3,最大風(fēng)速為25米/秒，第二實(shí)驗(yàn)段尺寸為8×6×25米3，最大風(fēng)速為100米/秒。

回流式風(fēng)洞實(shí)際上是將直流式風(fēng)洞首尾相接，形成封閉回路。氣流在風(fēng)洞中循環(huán)回流，既節(jié)省能量又不受外界的干擾。風(fēng)洞也可以采用別的特殊氣體或流體來(lái)代替空氣，用壓縮空氣代替常壓空氣的是變密度風(fēng)洞，用水代替空氣的稱(chēng)為水洞（見(jiàn)水槽和水洞）。

風(fēng)洞高速風(fēng)洞

實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流馬赫數(shù)為0.4～4.5的風(fēng)洞。按馬赫數(shù)范圍劃分，高速風(fēng)洞可分為亞聲速風(fēng)洞、跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞。

風(fēng)洞亞聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.4～0.7。結(jié)構(gòu)形式和工作原理同低速風(fēng)洞相仿，只是運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率比低速風(fēng)洞大一些。

風(fēng)洞跨聲速風(fēng)洞

風(fēng)洞的馬赫數(shù)為0.5～1.3。當(dāng)風(fēng)洞中氣流在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)最小截面處達(dá)到聲速之后，即使再增大驅(qū)動(dòng)功率或壓力，實(shí)驗(yàn)段氣流的速度也不再增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壅塞。因此，早期的跨聲速實(shí)驗(yàn)只能將模型裝在飛機(jī)機(jī)翼上表面或風(fēng)洞底壁的凸形曲面上，利用上表面曲率產(chǎn)生的跨聲速區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣不僅模型不能太大，而且氣流也不均勻。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)段采用開(kāi)孔或順氣流方向開(kāi)縫的透氣壁，使實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的部分氣流通過(guò)孔或縫流出，可以消除風(fēng)洞的壅塞，產(chǎn)生低超聲速流動(dòng)。這種有透氣壁的實(shí)驗(yàn)段還能減小洞壁干擾，減弱或消除低超聲速時(shí)的洞壁反射波系。因模型產(chǎn)生的激波，在實(shí)壁上反射為激波，而在自由邊界上反射為膨脹波，若透氣壁具有合適的自由邊界，則可極大地減弱或消除洞壁反射波系。

為了在各種實(shí)驗(yàn)情況下有效地減弱反射波，發(fā)展出可變開(kāi)閉比（開(kāi)孔或開(kāi)縫占實(shí)驗(yàn)段壁面面積的比例）和能改變開(kāi)閉比沿氣流方向分布的透氣壁。第一座跨聲速風(fēng)洞是美國(guó)航空咨詢(xún)委員會(huì)(NACA)在1947年建成的。它是一座開(kāi)閉比為12.5%、實(shí)驗(yàn)段直徑為 308.4毫米的開(kāi)縫壁風(fēng)洞。此后跨聲速風(fēng)洞發(fā)展很快，到50年代就已建設(shè)了一大批實(shí)驗(yàn)段口徑大于1米的模型實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞。

風(fēng)洞超聲速風(fēng)洞

洞內(nèi)氣流馬赫數(shù)為1.5～4.5的風(fēng)洞。風(fēng)洞中氣流在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段前經(jīng)過(guò)一個(gè)拉瓦爾管而達(dá)到超聲速。只要噴管前后壓力比足夠大，實(shí)驗(yàn)段內(nèi)氣流的速度只取決于實(shí)驗(yàn)段截面積對(duì)噴管喉道截面積之比。通常采用由兩個(gè)平面?zhèn)缺诤蛢蓚€(gè)型面組成的二維噴管。

噴管的構(gòu)造型式有多種，例如：兩側(cè)壁和兩個(gè)型面裝配成一個(gè)剛性半永久性組合件并直接與洞體連接的固定噴管；由可更換的型面塊和噴管箱側(cè)壁組成噴管，并將噴管箱與洞體連接而成的固塊噴管；由兩塊柔性板構(gòu)成噴管型面，且柔性板的型面可進(jìn)行調(diào)節(jié)的柔壁噴管（圖3）。實(shí)驗(yàn)段下游的超聲速擴(kuò)壓器由收縮段、第二喉道和擴(kuò)散段組成(圖4),通過(guò)喉道面積變化使超聲速流動(dòng)經(jīng)過(guò)較弱的激波系變?yōu)閬喡曀倭鲃?dòng)，以減小流動(dòng)的總壓損失。第一座超聲速風(fēng)洞是普朗特于1905年在德國(guó)格丁根建造的，實(shí)驗(yàn)馬數(shù)可達(dá)到1.5。

1920年A.布澤曼改進(jìn)了噴管設(shè)計(jì)，得到了均勻超聲速流場(chǎng)。1945年德國(guó)已擁有實(shí)驗(yàn)段直徑約 1米的超聲速風(fēng)洞。50年代，世界上出現(xiàn)了一批供飛行器模型實(shí)驗(yàn)的超聲速風(fēng)洞，其中最大的是美國(guó)的4.88米×4.88米的超聲速風(fēng)洞。

建設(shè)的許多風(fēng)洞，往往突破了上述亞聲速、跨聲速和超聲速單一速度的范圍，可以在一個(gè)風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行亞聲速、跨聲速和超聲速實(shí)驗(yàn)。這種風(fēng)洞稱(chēng)為三聲速風(fēng)洞。中國(guó)氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的1.2米×1.2米跨聲速、超聲速風(fēng)洞（圖5）是一座三聲速風(fēng)洞。

60年代以來(lái)，提高風(fēng)洞的雷諾數(shù)受到普遍重視。跨聲速風(fēng)洞的模型實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)通常小于1×109，大型飛行器研制需要建造雷諾數(shù)更高（例如大于4×109）的跨聲速風(fēng)洞，因而出現(xiàn)了增高駐點(diǎn)壓力的路德維格管風(fēng)洞，用噴注液氮降低實(shí)驗(yàn)氣體溫度、提高雷諾數(shù)的低溫風(fēng)洞等新型風(fēng)洞。低溫風(fēng)洞具有獨(dú)立改變馬赫數(shù)、雷諾數(shù)和動(dòng)壓的能力，因此發(fā)展很快。

風(fēng)洞高超聲速風(fēng)洞

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(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常有氣動(dòng)力、壓力、傳熱測(cè)量和流場(chǎng)顯示，還有動(dòng)穩(wěn)定性、低熔點(diǎn)模型燒蝕、質(zhì)量引射和粒子侵蝕測(cè)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。

高超音速風(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(lái)說(shuō)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(shí)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(guò)氣流在經(jīng)過(guò)噴管加速到高超音速的過(guò)程中會(huì)急劇膨脹，溫度會(huì)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(zhǎng)沖風(fēng)洞、氣體活塞式風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等（見(jiàn)超高速實(shí)驗(yàn)設(shè)備）。中國(guó)氣動(dòng)力研究和發(fā)展中心的高壓－引射驅(qū)動(dòng)的暫沖式常規(guī)高超音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段直徑為 0.5米。這個(gè)中心還建成一座實(shí)驗(yàn)段直徑為2米的激波風(fēng)洞。

風(fēng)洞常規(guī)高超聲速風(fēng)洞

它是在超聲速風(fēng)洞的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。圖6為高超聲速風(fēng)洞示意圖。圖7為一座實(shí)驗(yàn)段直徑為0.5米的暫沖式高超聲速風(fēng)洞照片。

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?yàn)樵诮o定的穩(wěn)定段溫度下，實(shí)驗(yàn)段氣流靜溫隨馬赫數(shù)增加而降低，以致實(shí)驗(yàn)段氣流會(huì)出現(xiàn)液化。實(shí)際上，由于氣流膨脹過(guò)程很快，在某些實(shí)驗(yàn)條件下，存在不同程度的過(guò)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(xiàn)得到的溫度低。根據(jù)不同的穩(wěn)定段溫度，對(duì)實(shí)驗(yàn)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(kāi)；鎳鉻電阻加熱器可達(dá)1000開(kāi)；鐵鉻鋁電阻加熱器可達(dá)1450開(kāi)；氧化鋁卵石床加熱器可達(dá)1670開(kāi)；氧化鋯卵石床加熱器可達(dá)2500開(kāi)；以高純度氮?dú)鉃閷?shí)驗(yàn)氣體的鎢電阻加熱器可達(dá)2200開(kāi)；石墨電阻加熱器可達(dá)2800開(kāi)。

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(huì)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(duì)稱(chēng)噴管。錐形噴管加工容易，但產(chǎn)生錐型流場(chǎng)，所以后來(lái)逐漸被型面噴管代替。在馬赫數(shù)大于 7的情況下，對(duì)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(dòng)性能以實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)和單位雷諾數(shù)來(lái)表征。以空氣作實(shí)驗(yàn)氣體的典型風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)為5～14,每米雷諾數(shù)的量級(jí)為3×10⁶。為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)和雷諾數(shù)，采用凝結(jié)溫度極低（4 開(kāi)）的氦氣作實(shí)驗(yàn)氣體，在室溫下馬赫數(shù)可達(dá)到25；加熱到1000開(kāi)時(shí)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(guó)在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)建造的。這是一座暫沖式風(fēng)洞。馬赫數(shù)上限為10，實(shí)驗(yàn)段尺寸為1米×1米。德國(guó)戰(zhàn)敗，風(fēng)洞未能完全建成。戰(zhàn)后，美國(guó)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。

風(fēng)洞低密度風(fēng)洞

形成稀薄(低密度)氣體流動(dòng)的高超聲速風(fēng)洞。它為研制航天器提供高空飛行的氣動(dòng)環(huán)境，也是研究稀薄氣體動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)工具。低密度風(fēng)洞主要進(jìn)行滑移流態(tài)和過(guò)渡流態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，主要模擬克努曾數(shù)、馬赫數(shù)、物面平均溫度和滯止溫度（氣體速度變成零時(shí)的溫度）之比（約為0.06～1）等參數(shù)，以及高溫低壓下的真實(shí)氣體效應(yīng)。低密度風(fēng)洞的原理和結(jié)構(gòu)同常規(guī)高超聲速風(fēng)洞相仿。同常規(guī)高超聲速風(fēng)洞相比，它有以下特點(diǎn)：穩(wěn)定段壓力和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缇^常規(guī)高超聲速風(fēng)洞成量級(jí)地減?。痪哂旋嫶蟮恼婵粘闅庀到y(tǒng)和優(yōu)良的風(fēng)洞密封性能；普遍采用深冷拉瓦爾管或小孔自由射流實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以解決由于低雷諾數(shù)、高馬赫數(shù)而引起的噴管邊界層加厚問(wèn)題，從而能在更大的克努曾數(shù)下獲得供實(shí)驗(yàn)用的、足夠尺寸的稀薄氣流區(qū)域；在相同的馬赫數(shù)下預(yù)防工作氣體液化的加熱要求較一般高超聲速風(fēng)洞為低。但在低密度風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，由于氣流密度小，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缧。阅Ｐ偷臍鈩?dòng)力、熱、壓力等均甚微弱，測(cè)量技術(shù)難度大。電磁懸掛天平、電子束裝置等非接觸測(cè)量技術(shù)已用于有關(guān)測(cè)量。圖8為低密度風(fēng)洞示意圖。

風(fēng)洞激波風(fēng)洞

利用激波壓縮實(shí)驗(yàn)氣體，再用定常膨脹方法產(chǎn)生高超聲速實(shí)驗(yàn)氣流的風(fēng)洞。它由一個(gè)激波管和連接在它后面的噴管等風(fēng)洞主要部件組成。在激波管和噴管之間用膜片（第二膜片）隔開(kāi)，噴管后面被抽成真空。圖9為反射型激波風(fēng)洞原理示意圖。激波風(fēng)洞的工作過(guò)程是：風(fēng)洞啟動(dòng)時(shí)主膜片先破開(kāi)，引起驅(qū)動(dòng)氣體的膨脹，產(chǎn)生向上游傳播的膨脹波，并在實(shí)驗(yàn)氣體中產(chǎn)生激波。當(dāng)此激波向下游運(yùn)動(dòng)達(dá)到噴管入口處時(shí)，第二膜片被沖開(kāi)，因而經(jīng)過(guò)激波壓縮達(dá)到高溫高壓的實(shí)驗(yàn)氣體即進(jìn)入噴管膨脹加速，流入實(shí)驗(yàn)段供實(shí)驗(yàn)使用。當(dāng)實(shí)驗(yàn)條件由于波系反射或?qū)嶒?yàn)氣體流完而遭到破壞時(shí)，實(shí)驗(yàn)就結(jié)束。

激波風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，通常以毫秒計(jì)。激波風(fēng)洞的名稱(chēng)是赫茲伯格于1951年提出的。它的發(fā)展與中、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器的發(fā)展密切相關(guān)。50年代初至60年代中期，由于急需研究高超聲速飛行中出現(xiàn)的高溫真實(shí)氣體效應(yīng)，激波風(fēng)洞主要用于模擬高溫條件。60年代中期以后，由于需要戰(zhàn)略彈頭在低空作機(jī)動(dòng)飛行，它即轉(zhuǎn)向于模擬高雷諾數(shù)，并于1971年首先實(shí)現(xiàn)了這種模擬的運(yùn)行。早期的激波風(fēng)洞采用直通型（入射激波在噴管入口處不反射而直接通過(guò)噴管）運(yùn)行，因而實(shí)驗(yàn)時(shí)間非常短（甚至短于1毫秒），難以應(yīng)用，因此又發(fā)展出反射型激波風(fēng)洞。這種風(fēng)洞有不同的運(yùn)行方法，如適當(dāng)選擇運(yùn)行條件，通?？扇〉?～25毫秒的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已確立為一種標(biāo)準(zhǔn)的高超聲速實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并已成為高超聲速氣動(dòng)力數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常是傳熱、壓力、氣動(dòng)力測(cè)量和流場(chǎng)顯示，此外還有電子密度測(cè)量等特殊項(xiàng)目?，F(xiàn)有激波風(fēng)洞運(yùn)行的最高參數(shù)是：驅(qū)動(dòng)壓力約為3400大氣壓（1大氣壓等于101325帕）；可以模擬 6.7千米/秒的飛行速度；氣流馬赫數(shù)達(dá)24；雷諾數(shù)達(dá)108（當(dāng)馬赫數(shù)為8時(shí)）。

風(fēng)洞熱沖風(fēng)洞

利用電弧脈沖放電定容地加熱和壓縮實(shí)驗(yàn)氣體，產(chǎn)生高超聲速氣流的風(fēng)洞?；窘Y(jié)構(gòu)如圖10所示。運(yùn)行前儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存電能，弧室充入一定壓力的氣體，膜片下游各部位被抽吸到真空狀態(tài)(一般不低于10⁵帕)。運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)存的電能以千分之一毫秒到幾十毫秒的時(shí)間在弧室內(nèi)通過(guò)電弧放電釋放，以加熱和壓縮氣體；當(dāng)弧室中壓力升高到某個(gè)預(yù)定值時(shí)，膜片被沖破；氣體經(jīng)過(guò)噴管膨脹加速，在實(shí)驗(yàn)段中形成高超聲速氣流；然后通過(guò)擴(kuò)壓器排入真空箱內(nèi)。

與常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞不同，熱沖風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)氣流是準(zhǔn)定常流動(dòng)(見(jiàn)非定常流動(dòng)),實(shí)驗(yàn)時(shí)間約20～200毫秒；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中弧室氣體壓力和溫度取決于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間，與高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞相比大約要低10～50%。所以要瞬時(shí)、同步地測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)段的氣流參量和模型上的氣動(dòng)力特性，并采用一套專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。熱沖風(fēng)洞的研制開(kāi)始于20世紀(jì)50年代初，略后于激波風(fēng)洞。原來(lái)是要利用火花放電得到一個(gè)高性能的激波管驅(qū)動(dòng)段，后來(lái)就演變成熱沖風(fēng)洞?！盁釠_”這個(gè)詞是 R.W.佩里于1958年提出來(lái)的。

熱沖風(fēng)洞的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是將材料燒損和氣體污染減少到可接受的程度。采取的措施有：以氮?dú)獯婵諝庾鳛閷?shí)驗(yàn)氣體；減小暴露在熱氣體中的弧室絕緣面積；合理設(shè)計(jì)析出材料燒損生成微粒的電極和喉道擋板結(jié)構(gòu)；適當(dāng)選取引弧用的熔斷絲；限制風(fēng)洞在弧室氣體溫度低于4000開(kāi)下運(yùn)行等。熱沖風(fēng)洞的儲(chǔ)能裝置有電容和電感兩種方式。前者常用于儲(chǔ)存10兆焦耳以下的能量，后者多用于儲(chǔ)存5～100兆焦耳的能量。

還有一種方式是電網(wǎng)直接供電，其能量一般為10兆焦耳量級(jí)，不同的電能利用方式要求有相應(yīng)的充電放電系統(tǒng)。熱沖風(fēng)洞的模擬范圍一般可以達(dá)到：馬赫數(shù) 8～22，每米雷諾數(shù)1×10⁵～2×10⁸。長(zhǎng)達(dá)上百毫秒的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不僅使它一次運(yùn)行能夠完成模型的全部攻角的靜態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而且可以進(jìn)行風(fēng)洞的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量動(dòng)穩(wěn)定性，以及采用空氣作實(shí)驗(yàn)氣體（溫度一般在3000開(kāi)以下）進(jìn)行高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)。

除上述風(fēng)洞外，高超聲速風(fēng)洞還有氮?dú)怙L(fēng)洞、氦氣風(fēng)洞、炮風(fēng)洞（輕活塞風(fēng)洞）、長(zhǎng)沖風(fēng)洞(重活塞風(fēng)洞)、氣體活塞風(fēng)洞、膨脹風(fēng)洞和高超聲速路德維格管風(fēng)洞等。

風(fēng)洞專(zhuān)用風(fēng)洞

為了滿(mǎn)足各種特殊實(shí)驗(yàn)的需要，還可采用各種專(zhuān)用風(fēng)洞，冰風(fēng)洞供研究飛機(jī)穿過(guò)云霧飛行時(shí)飛機(jī)表面局部結(jié)冰現(xiàn)象。尾旋風(fēng)洞供研究飛機(jī)尾旋飛行特性之用。這種風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段垂直放置，氣流上吹呈碟形速度分布，而且風(fēng)速可以迅速改變，能托住尾旋模型使其不致下墜。

風(fēng)洞自然風(fēng)洞

自然風(fēng)洞指的是大自然形成的天然山洞，洞口往外有風(fēng)刮出，具體位置有湖南省新化縣游家鎮(zhèn)新塘村源頭垅老屋上的風(fēng)洞，秋冬季節(jié)和春季，風(fēng)洞會(huì)停止刮風(fēng)，只有夏天才會(huì)刮風(fēng)，風(fēng)溫很低，只有幾度，洞口寸草不生，人在洞口不能久留，否則會(huì)全身冰涼，一到晚上會(huì)聽(tīng)到嗚嗚的風(fēng)鳴聲，由于風(fēng)聲過(guò)于強(qiáng)大，老一輩們?cè)谖辶甏鷮⒍纯诙伦。L(fēng)仍然吹開(kāi)一個(gè)口子，不過(guò)風(fēng)速明顯減小，但風(fēng)的溫度不變。洞內(nèi)生活一種類(lèi)似貓的動(dòng)物，全身花紋酷似斑馬。對(duì)于風(fēng)洞的形成還沒(méi)有人解開(kāi)謎底，在當(dāng)?shù)爻蔀橐环N陰影，有不祥之征兆。

風(fēng)洞立式風(fēng)洞

陽(yáng)春3月，記者走進(jìn)中國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的亞洲最大的立式風(fēng)洞，領(lǐng)略風(fēng)洞里獨(dú)特的風(fēng)景。

置身人造“天空”

秦嶺之巔還殘雪點(diǎn)點(diǎn)，山腳之下已是桃花吐艷。汽車(chē)駛過(guò)一段蜿蜒的山路，眼前景象豁然開(kāi)朗：翠綠的山林間，一座5層高的建筑拔地而起。

“我們到了，這就是亞洲最大的立式風(fēng)洞。”聽(tīng)到陪同人員介紹，記者感到有些失望，因?yàn)檠矍暗木跋笈c想象中完全不一樣。新建成的立式風(fēng)洞不算高大，也不顯得很威武，甚至不如城市里常見(jiàn)的摩天大樓。

從外表看，與普通房屋唯一不同的是，該建筑身上“背”著一根粗大的鐵管。技術(shù)人員對(duì)記者介紹：“可不能小瞧這鐵家伙，它是產(chǎn)生氣流的主要通道?！?

其實(shí)，風(fēng)洞普通的外表下有著神奇的“心臟”。步入其中，記者發(fā)現(xiàn)這片人造“天空”完全是用高科技的成果堆砌而成。

風(fēng)洞建設(shè)是一個(gè)涉及多學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)集成課題，囊括了包括氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、聲學(xué)等20余個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。整個(gè)立式風(fēng)洞從破土動(dòng)工到首次通氣試驗(yàn)僅用了2年半，創(chuàng)造了中國(guó)風(fēng)洞建設(shè)史上的奇跡。

大廳里，螺旋上升的旋梯簇?fù)碇鴥晒?jié)巨大的管道，好不壯觀(guān)！與其說(shuō)它是試驗(yàn)設(shè)備，不如說(shuō)是風(fēng)格前衛(wèi)的建筑藝術(shù)品。

一路參觀(guān)，記者發(fā)現(xiàn)該風(fēng)洞“亮點(diǎn)”多多：實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)攝像頭同時(shí)采集試驗(yàn)圖像，計(jì)算機(jī)自動(dòng)判讀處理；率先將世界最先進(jìn)的中壓變頻調(diào)速技術(shù)用于風(fēng)洞主傳動(dòng)系統(tǒng)控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速精度提高50%……

負(fù)責(zé)人介紹說(shuō)，立式風(fēng)洞是中國(guó)龐大風(fēng)洞家族中最引人矚目的一顆新星，只有極少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有這種風(fēng)洞。

感受“風(fēng)”之神韻

風(fēng)，來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，自由之極?？稍诨乜蒲腥藛T的手中，無(wú)影無(wú)蹤無(wú)所不在的風(fēng)被梳理成循規(guī)蹈矩、各種強(qiáng)度、各種“形狀”的氣流。

記者趕得巧，某飛行器模型自由尾旋改進(jìn)試驗(yàn)正在立式風(fēng)洞進(jìn)行。

何謂尾旋？它是指飛機(jī)在持續(xù)的失速狀態(tài)下，一面旋轉(zhuǎn)一面急劇下降的現(xiàn)象。在人們尚未徹底了解它之前，尾旋的后果只有一個(gè)：機(jī)毀人亡。資料顯示，1966年至1973年，美國(guó)因尾旋事故就損失了上百架F-4飛機(jī)。

控制中心里，值班員輕啟電鈕，巨大的電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。記者不由自主地用雙手捂住耳朵，以抵擋將要到來(lái)的“驚雷般的怒吼”?？蓻](méi)想到，想象中的巨響沒(méi)有到來(lái)，只有空氣穿流的淺唱低吟。30米/秒、50米/秒……風(fēng)速已到極至，記者站在隔音良好的試驗(yàn)段旁，卻沒(méi)有領(lǐng)略到“大風(fēng)起兮”的意境。

你知道50米/秒風(fēng)速是什么概念？勝過(guò)颶風(fēng)！值班員告訴記者，如果把人放在試驗(yàn)段中，可以讓你體驗(yàn)被風(fēng)吹起、乘風(fēng)飛翔的感覺(jué)。

中國(guó)首座立式風(fēng)洞已形成強(qiáng)大的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＸ?fù)責(zé)人告訴記者：該型風(fēng)洞除可完成現(xiàn)有水平式風(fēng)洞中的大多數(shù)常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目，還能完成飛機(jī)尾旋性能評(píng)估、返回式衛(wèi)星及載人飛船回收過(guò)程中空氣動(dòng)力穩(wěn)定性測(cè)試等。

風(fēng)洞主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)組成，各部分的形式因風(fēng)洞類(lèi)型而不同。

風(fēng)洞洞體

它有一個(gè)能對(duì)模型進(jìn)行必要測(cè)量和觀(guān)察的實(shí)驗(yàn)段。實(shí)驗(yàn)段上游有提高氣流勻直度、降低湍流度的穩(wěn)定段和使氣流加速到所需流速的收縮段或噴管。實(shí)驗(yàn)段下游有降低流速、減少能量損失的擴(kuò)壓段和將氣流引向風(fēng)洞外的排出段或?qū)Щ氐斤L(fēng)洞入口的回流段。有時(shí)為了降低風(fēng)洞內(nèi)外的噪聲，在穩(wěn)定段和排氣口等處裝有消聲器。

風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共有兩類(lèi)。

一類(lèi)是由可控電機(jī)組和由它帶動(dòng)的風(fēng)扇或軸流式壓縮機(jī)組成。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使氣流壓力增高來(lái)維持管道內(nèi)穩(wěn)定的流動(dòng)。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速或葉片安裝角，或改變對(duì)氣流的阻尼，可調(diào)節(jié)氣流的速度。直流電動(dòng)機(jī)可由交直流電機(jī)組或可控硅整流設(shè)備供電。它的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，多在低速風(fēng)洞中使用。使用這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)洞稱(chēng)連續(xù)式風(fēng)洞，但隨著氣流速度增高所需的驅(qū)動(dòng)功率急劇加大，例如產(chǎn)生跨聲速氣流每平方米實(shí)驗(yàn)段面積所需功率約為4000千瓦，產(chǎn)生超聲速氣流則約為16000～40000千瓦。

另一類(lèi)是用小功率的壓氣機(jī)事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中，或用真空泵把與風(fēng)洞出口管道相連的真空罐抽真空，實(shí)驗(yàn)時(shí)快速開(kāi)啟閥門(mén)，使高壓空氣直接或通過(guò)引射器進(jìn)入洞體或由真空罐將空氣吸入洞體，因而有吹氣、引射、吸氣以及它們相互組合的各種形式。使用這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的風(fēng)洞稱(chēng)為暫沖式風(fēng)洞。暫沖式風(fēng)洞建造周期短，投資少，一般[[雷諾數(shù)]]較高，它的工作時(shí)間可由幾秒到幾十秒，多用于跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞。對(duì)于實(shí)驗(yàn)時(shí)間小于 1秒的脈沖風(fēng)洞還可通過(guò)電弧加熱器或激波來(lái)提高實(shí)驗(yàn)氣體的溫度，這樣能量消耗少，模擬參數(shù)高。

風(fēng)洞測(cè)量控制系統(tǒng)

其作用是按預(yù)定的實(shí)驗(yàn)程序，控制各種閥門(mén)、活動(dòng)部件、模型狀態(tài)和儀器儀表，并通過(guò)天平、壓力和溫度等傳感器，測(cè)量氣流參量、模型狀態(tài)和有關(guān)的物理量。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代后期開(kāi)始，風(fēng)洞測(cè)控系統(tǒng)，由早期利用簡(jiǎn)陋儀器，通過(guò)手動(dòng)和人工記錄，發(fā)展到采用電子液壓的控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)采集和處理的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。