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中科院力学所
jf12高超声速激波风洞（5）
力学园地
2016年01月04日
编者按：中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室（lhd）在国家重大科研装备研制计划的支持下，于2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目。在姜宗林研究员的主持下，lhd的相关研究团队经过数年的努力，在2012年完成了研制任务。目前该风洞命名“jf12高超声速激波风洞”，并已正式运行。本刊将陆续介绍jf12风洞研制的背景与意义，风洞原理与关键技术的突破，以及利用它开展国家重大项目与学科前沿研究的情况。
2012年5月14日，jf12爆轰驱动高焓激波风洞顺利地通过了专家的验收。验收委员会一致认为：“该项目面向国家重大项目和学科研究需求，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、二次波运动及其控制等系列激波风洞创新技术，研制成功了国际首座可复现25~40 km高空、马赫数5~9飞行条件、喷管出口直径 2.5/ 1.5m、试验气体为洁净空气、试验时间超过100 ms的超大型高超声速激波风洞，整体性能处于国际领先水平。”
和世界先进国家的情况类似，我国高超声速气动试验的研究也面临着一系列的学科难题。例如，洁净空气介质中超声速燃烧规律、高超声速流动气动模拟实验的多尺度效应、高温气体效应对高超声速流动气动力/气动热的影响规律、高超声速飞行器外部与发动机内部流动相互作用规律以及高超声速绕流产生的空天飞行器光电特征等等，这些问题的实验研究
要求地面模拟试验能复现真实的飞行条件，对目前的气体动力学实验装备提出了挑战。面对这一挑战，lhd的中青年科学家们坚持沿着俞鸿儒院士关于爆轰驱动的原创性思路不断创新，通过四年的不懈努力，终于建成了这座世界上独一无二的新型激波风洞（参见图2）。这是力学所在氢氧爆轰技术研究50年积累、爆轰驱动激波风洞研制15年探索的基础上实现的。它像一条超级的翔龙，可以复现高空25~40 km以及马赫数5~9的高超声速飞行条件。
新型激波风洞由风洞主体系统和风洞附属系统两部分组成，其总长为265米，总重量约1000吨。风洞主体系统包括卸爆段、爆轰驱动段、被驱动段、喷管、试验测试段、真空段以及三个夹膜机构、轨道支架和相应的液压驱动系统、模型支撑系统等部分。风洞附属系统则是由真空系统、高压气源系统、管体气源配送和控制系统、监控通讯和报警系统、设备和试验参数测试采集系统、光学测试系统等部分组成。它所达到的主要性能指标如下：
(1)试验气流总温：1600～3000k；
(2)试验气流总压：2～12mpa；
(3)试验气流马赫数范围：5～9；
(4)风洞喷管出口直径： 2.5m/1.5m；
(5)有效试验时间：～100ms；
(6)试验气体为纯净空气。
？
？？？ 从下面表1中所列的数据，可以看到jf12的性能参数完全可以和美国的加热轻气体驱动风洞lensii相媲美，其中有关试验气流性能的关键参数（马赫数、总温）以及有效试验时间都有了大幅度的提高。而图3则给出jf12流场评估的结果，它是在模拟飞行高度h＝35km、试验气流马赫数ma＝7的状态下测试的，在测量评估的截面上有40个测量点。评估结果表明：jf12风洞实验段流场马赫数分布的均匀性达到了国家标准。
？
jf12高超声速激波风洞（5）
？
是世界上独一无二的激波风洞吗？2012年5月14日，jf12爆轰驱动高焓激波风洞顺利地通过了专家的验收。验收委员会一致认为：“该项目面向国家重大项目和学科研究需求，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、二次波运动及其控制等系列激波风洞创新技术，研制成功了国际首座可复现25~40 km高空、马赫数5~9飞行条件、喷管出口直径 2.5/ 1.5m、试验气体为洁净空气、试验时间超过100 ms的超大型高超声速激波风洞，整体性能处于国际领先水平。”
图1 jf12高超声速风洞专家验收会
和世界先进国家的情况类似，我国高超声速气动试验的研究也面临着一系列的学科难题。例如，洁净空气介质中超声速燃烧规律、高超声速流动气动模拟实验的多尺度效应、高温气体效应对高超声速流动气动力/气动热的影响规律、高超声速飞行器外部与发动机内部流动相互作用规律以及高超声速绕流产生的空天飞行器光电特征等等，这些问题的实验研究
要求地面模拟试验能复现真实的飞行条件，对目前的气体动力学实验装备提出了挑战。面对这一挑战，lhd的中青年科学家们坚持沿着俞鸿儒院士关于爆轰驱动的原创性思路不断创新，通过四年的不懈努力，终于建成了这座世界上独一无二的新型激波风洞（参见图2）。这是力学所在氢氧爆轰技术研究50年积累、爆轰驱动激波风洞研制15年探索的基础上实现的。它像一条超级的翔龙，可以复现高空25~40 km以及马赫数5~9的高超声速飞行条件。
图2？ jf12爆轰驱动高焓激波风洞的照片（从真空段向上游方向看去）
新型激波风洞由风洞主体系统和风洞附属系统两部分组成，其总长为265米，总重量约1000吨。风洞主体系统包括卸爆段、爆轰驱动段、被驱动段、喷管、试验测试段、真空段以及三个夹膜机构、轨道支架和相应的液压驱动系统、模型支撑系统等部分。风洞附属系统则是由真空系统、高压气源系统、管体气源配送和控制系统、监控通讯和报警系统、设备和试验参数测试采集系统、光学测试系统等部分组成。它所达到的主要性能指标如下：
(1)试验气流总温：1600～3000k；
(2)试验气流总压：2～12mpa；
(3)试验气流马赫数范围：5～9；
(4)风洞喷管出口直径： 2.5m/1.5m；
(5)有效试验时间：～100ms；
(6)试验气体为纯净空气。
？
？？？ 从下面表1中所列的数据，可以看到jf12的性能参数完全可以和美国的加热轻气体驱动风洞lensii相媲美，其中有关试验气流性能的关键参数（马赫数、总温）以及有效试验时间都有了大幅度的提高。而图3则给出jf12流场评估的结果，它是在模拟飞行高度h＝35km、试验气流马赫数ma＝7的状态下测试的，在测量评估的截面上有40个测量点。评估结果表明：jf12风洞实验段流场马赫数分布的均匀性达到了国家标准。
？
| 设备名称 |
？ 驱动段 ？ |
？ 被驱动段 ？ |
速度 |
总温 |
喷管直径 |
试验时间 |
||
| 长度m |
内径mm |
长度m |
内径mm |
马赫数 |
k |
mm |
ms | |
| lens ii |
18.3 |
610 |
30.5 |
610 |
4~7 |
<2000 |
1550 | |