导语
第二燃气动力研究所开发的JF-22高超声速风洞在中国科技领域迎来了另一个突破,并投入使用。这个风洞模拟了飞机在极高速度下的飞行条件,以确保中国航天器的飞行安全。
我们国家的风洞技术一直都很先进,即使在国际上也有很高的地位,而且风洞技术是航空航天领域的“试飞员”,在没有实际硬件的情况下,风洞可以帮助研究人员尽可能地模拟真实的工作条件,从而验证刚才的设想是否正确。
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所以风洞和飞机的工作原理有什么不同,风洞之后的气流是怎样形成的?
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什么是不同的
与飞机相比,风洞最大的区别在于它的气流从高压区流向低压区,而飞机则相反,空气通过高速前进的动力流动。
风洞是一种能模拟真实流场条件,帮助研究人员设计和改进飞机的高速气流流动装置。
风洞的作用是将飞机放置在风洞内,通过风洞内的高压空气流向飞机,模拟实际飞行过程中的气动性能,帮助设计飞机。
大部分风洞的气流都是一种气体,包括空气、氮气、氦气等。当然也有液体风洞,比如水洞、油洞等。由于体积巨大,大多数液体风洞用于测试船舶或油泵等大型设备的性能。
风洞的速度非常快,甚至可以超过飞机的速度几十倍。由于重力的作用,地球上的空气在不同的位置有不同的速度,飞机的速度也会随着海拔的不同而变化。根据不同的空气动力特性,风洞可以分为许多类型。
在飞机的设计阶段,风洞通常需要很长的周期,这需要几年的时间和数亿的资金。通过风洞测试的准确数据将为飞机节省大量成本。
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风洞是飞机研发中不可多得的装备,早在飞机诞生后不久,风洞技术的概念就被提出来了。
风洞利用压缩空气的原理实现高速气流流动。根据不同的原理,风洞大致可以分为三种类型:亚声速风洞、超声速风洞和超声速风洞。
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其中,它被细分为干式风洞和激波风洞。中国拥有世界上最大的激波风洞,也就是中国成功研制的新型JF-22高超声速风洞。让我们一起来看看。
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激波风洞
激波风洞是一种适用于高速、高温、高超声速条件下空气流动试验的风洞。它可以模拟飞机在极高的速度下与周围空气的摩擦和热化。
飞机在高速条件下飞行,超过1.2马赫后高超声速飞行。当气体和飞机的空气动力学被压缩到亚声速时,会形成强烈的激波。
激波风洞内的气流具有高温、高压、高速的特点,其中速度可达18马赫,而高超声速风洞内速度可达25马赫以上。激波风洞模拟的是极高超声速飞机与空气产生强烈的激波。
由于飞机的速度超过了声速,会产生多个激波,其中第一个激波会降低速度,降低温度,增加压力,减缓空气中分子的随机热运动,产生压缩效应。
此外,还会产生很大的升力。速度越高,激波效应越明显,对飞机气动加热的影响越大,这就是激波风洞模拟的工作条件。
在飞行速度极高的情况下,空气会产生很大的摩擦热化效应,飞机表面会被加热。因此,研究飞机表面能承受的最高温度非常重要。
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在世界范围内,有两种不同的激波风洞设计思路,即“加热轻气体”和“自由活塞脉冲”风洞,其中第一种设计思路是较早的设计方法。
二战后,美国和其他国家开始开发高超声速飞机。为了研究其表面的耐热性,美国于1943年在加利福尼亚大学成功开发了世界上第一个激波风洞。
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在此基础上,美国还建造了著名的“冲击波”激波风洞。这个风洞的原理是在高速空气流动下产生的冲击波会引起红外辐射,从而研究金属表面的耐热性。
此后,苏联、英国等国家相继建成了激波风洞,并不断改进。然而,直到1957年美国建成了J-3风洞,速度达到15马赫,人们才开始意识到激波风洞的重要性。
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自由活塞脉冲
此后,世界上出现了另一种设计思路的激波风洞,即“自由活塞脉冲”风洞。自由活塞风洞的出现是为了在短时间内实现气流的高速流动。
自由活塞脉冲是一种通过先压缩空气,然后释放气体压缩能量来实现气流高速流动的方法。它可以产生长时间的气流,非常适合超高速试验。
与调压器风洞相比,自由活塞脉冲风洞的优点是可以产生更长时间的气流。这种设计理念首次出现在20世纪60年代。
自由活塞脉冲风洞的研发可以追溯到第二次世界大战期间。当时,为了提高火箭发动机的效率,美国开始研究高超声速技术,自由活塞脉冲风洞正好满足了这一需求。
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随着高速气流的加速,自由活塞将被推动,直至达到最高速度,然后通过逐步排气来释放高速气流,从而产生高速气流。
自由活塞脉冲风洞最大的优点是可以产生非常高的速度和节能,但也有一个很大的缺点,那就是由于摩擦,高速气流会迅速减速。
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因此,自由活塞脉冲风洞最多可以产生13个马赫,需要多次实验,不方便科研人员。然而,随着自由活塞脉冲风洞的出现,它已经成为许多现代国家使用的设计方案。
然而,在建造自由活塞脉冲风洞的过程中,需要储存高压气体。汽车动力研究所对高超声速激波风洞的研究使其在1954年扩大,产生了“爆炸式”气体储存脉冲风洞的设计思路。
氢氧爆轰
爆炸式气体储存脉冲风洞是一种利用爆炸式气体储存高压气体,通过爆炸式气体储存器的爆炸来释放气体,从而产生气流的风洞。在20世纪60年代JF-12风洞的研发过程中,中国采用了这种设计理念,最终取得了成功。
与自由活塞脉冲风洞相比,爆炸式风洞可以产生更长的气流,更适合长期实验的需求。20世纪40年代,中国成功开发了JF-3级风洞,为JF-12风洞的开发提供了参考。
JF-12型风洞模拟了低海拔地区超音速飞机的飞行情况。20世纪70年代,中国制定了“七五”规划,发展航天事业,将JF-22型风洞作为重大技术设备的研发,开展了前期设计工作。
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JF-22型风洞采用氢氧爆炸驱动技术,可以模拟30马赫以上的风速,融合先进的设计理念。中国成功研制的世界上最大的超声波风洞,对未来航天器、导弹等超高速飞机的研发有着重要的支持。
对氢氧爆炸风洞而言,其施工难度较大,主要是对爆炸安全措施的要求相对较高,国内科研人员对此进行了充分的测试和准备,成功地建成了JF-22风洞。
人民解放军总工程师邓稼先在我国JF-22型风洞建设过程中阐述了风洞钱氏的“战略部署”,认为技术上建造高超声速风洞是完全可行的,但如果不从根本上解决气源和动力问题,就很难实现,所以必须从气源和动力入手。
气源问题是由于高压储气瓶释放气体的压力不稳定,无法保证一致的气流温度。对于高超声速的激波风洞,实验前需要将气流压缩到一定程度。
解决问题
为了解决这个问题,我国采用了燃气动力的思路,将其放入燃气中储存。燃烧气体的热量会使其温度升高,从而产生高温高压的气流。同时,为了保证气流的稳定温度,可以适当冷却阿瓦。
在综合动力问题上,我国JF-22风洞采用氢氧爆炸动力装置,氢氧爆炸装置的出现将我国的激波风洞推向了一个新的高度,给我国的科技实力和国防设施带来了巨大的变化。
氢氧爆炸技术的应用还可以促进宇宙飞船的建设,研发超高超声速导弹,甚至氢氧爆炸发动机,这将对中国的工程技术和国防实力产生巨大影响。
风洞技术的突破不仅在中国,也在世界范围内确立了中国科技在这一领域的领先地位。中国风洞技术面临的问题是世界上梦寐以求的技术问题。
在这次成功的高超声速风洞研发中,中国为国际风洞技术做出了贡献。为了研究超高速飞机,中国的风洞技术一直处于世界领先水平。可以说,风洞技术是探索极速领域不可或缺的工具。
未来,中国在风洞领域的突破将对世界和平与合作产生积极影响,更多的国际合作风洞项目可能会出现,不仅能造福人类,还能促进全球航空航天技术的发展。
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风洞技术的突破也会影响教育领域,促进航空航天领域的人才培养,加强科研合作,帮助世界更好地探索基础科学,促进人类文明的发展。
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