暫沖式跨超聲速風洞設計關鍵技術

姚丁夫+端木兵雷+黃文

（中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京市 100120）

【摘 要】為研制先進飛行器，除了提高現(xiàn)有風洞試驗測量精度和改進試驗技術外，必須建立高性能跨超聲速風洞試驗設備，解決飛行器高速風洞試驗模擬能力和精細化模擬問題。以試驗段尺寸0.7m×0.5m（高×寬）暫沖式跨超聲速風洞設計為例，給出了風洞總體設計方案。方案設計主要采用了環(huán)狀縫隙調壓閥、全柔壁噴管和三段調節(jié)片加柵指二喉道等新型技術。

【關鍵詞】跨超聲速；風洞

引言：

高速風洞設備作為跨超聲速空氣動力學研究的主要手段之一，在先進飛行器研制日趨精細化、一體化要求下，作為提供飛行器設計最原始依據(jù)的風洞試驗向模擬真實化、測量精細化、試驗高效化和手段綜合一體化方向發(fā)展，對高性能暫沖式跨超聲速風洞這一基礎試驗平臺建設提出了日趨緊迫的需求。先進飛行器對風洞總的要求是：風洞試驗段尺寸大、雷諾數(shù)模擬能力強、速壓變化范圍寬、風洞控制和數(shù)據(jù)測量精準度高、試驗技術特別是涉及大飛機飛行安全和飛行品質的動態(tài)試驗技術配套。因此，為解決新世紀我國急需發(fā)展的先進飛行器研制問題，除了依靠提高現(xiàn)有風洞試驗測量精度和改進試驗技術的途徑外，必須建造高指標的跨超聲速風洞試驗設備，解決飛行器風洞試驗模擬能力和精細化模擬問題。

暫沖式跨超聲速風洞是一項投資大、周期長、技術難度高的系統(tǒng)工程，在0.7m×0.5m風洞氣動總體方案設計中，主要設計采用了環(huán)狀縫隙調壓閥、全柔壁噴管和三段調節(jié)片加柵指二喉道。

一、0.7m×0.5m風洞總體性能和總體方案

（一）風洞總體設計要求

風洞試驗段Ma數(shù)為0.8～3.5，穩(wěn)定段總壓為（0.13～0.7）×105Pa，風洞試驗段流場品質要求為：（a）試驗段Ma數(shù)分布均勻性：σM≤0.002（0.8≤M≤1.0），σM≤0.005（1.0≤M≤1.2），σM≤0.006（1.3≤M≤1.5），σM≤0.006（M=1.75），σM≤0.007（M=2.0），σM≤0.008（M=2.25），σM≤0.008（M=2.5），σM≤0.009（M=3.0），σM≤0.010（M=3.5）；（b）試驗段Ma控制精度：△Mmax=0.0015（M≤0.9）；（c）試驗段平均氣流偏角：△α≤0.05°，△β≤0.05°；（d）試驗段總壓控制精度：0.1%；（e）試驗段氣流湍流度：ε≤0.2%（M≤1.0）；

（二）風洞總體方案和運行參數(shù)范圍

本風洞為直流暫沖式高速風洞，主要由風洞主體、氣源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和流場校測系統(tǒng)等組成。氣源系統(tǒng)包括：空氣壓縮機、儲氣球罐、干燥器、過濾器等。風洞主體包括：閥門系統(tǒng)、擴散段、穩(wěn)定段、收縮段、亞跨超噴管段、試驗段、超擴段、套筒段、亞擴段、排氣塔等。測控系統(tǒng)包括：風洞控制系統(tǒng)和風洞測量系統(tǒng)。流場校測設備包括風洞的速度場、方向場、消波特性、總壓波動及噪聲測量等方面的設備。0.7m×0.5m跨超聲速風洞運轉范圍廣，根據(jù)風洞激波及沿程壓力損失估算得到的風洞運行壓比（調壓閥出口與排氣塔出口氣流總壓之比）隨馬赫數(shù)變化的曲線見圖1。風洞試驗段空氣流量在不同總壓和不同馬赫數(shù)時為77～112kg/s。

二、風洞關鍵部段設計

（一）環(huán)狀縫隙調壓閥設計技術

風洞常用調壓閥的形式主要有窗孔型套筒閥、錐形調壓閥和環(huán)狀縫隙調壓閥。相較其他種類調壓閥而言，環(huán)狀縫隙調壓閥在工作狀態(tài)下可以獲得線性或接近線性調節(jié)特性，氣流對稱性好，調節(jié)范圍寬；套筒位移過程中阻力變化均勻，全開位置時阻力較小，由于氣流沒有直接作用在套筒（閥芯）上，使其控制構件運動靈活；最為重要的一個特點是閥門特性理論預測與試驗結果十分吻合。國內的跨超聲速風洞多采用該種類型的調壓閥，如FL-22和FL-23風洞的主調壓閥均采用這種類型。

0.7m×0.5m風洞主調壓閥直徑為DN800，最大工作行程為300mm，位移控制精度0.1mm，閥芯采用液壓驅動。

（二）全柔壁噴管設計技術

風洞超聲速噴管的形式主要有固塊噴管、半柔壁噴管、全柔壁噴管3種。固塊噴管結構比較簡單，它由對稱安裝的兩個相同型面的噴管塊組成，每對噴管塊對應一個特定的馬赫數(shù)，通過更換噴管塊來改變試驗馬赫數(shù)。固塊噴管的劣勢在于試驗效率比較低，在進行不同馬赫數(shù)試驗時，必須更換特定的噴管，試驗準備時間比較長。

跨超聲速風洞的可變馬赫數(shù)噴管通常采用柔壁噴管，在驅動系統(tǒng)的驅動下，使在平行固壁間的撓性板形成所需的馬赫數(shù)型面。柔壁噴管型面連續(xù)可調，具有較寬的馬赫數(shù)調節(jié)范圍，理論上目標范圍內的馬赫數(shù)均可實現(xiàn)。柔壁板設計的曲率連續(xù)（二階導數(shù)連續(xù)），并消除階差，有利于提高噴管出口流場指標（馬赫數(shù)均勻性）。柔壁噴管與固壁噴管不同，無需更換，有利于大幅提高試驗效率，降低風洞試驗費用。

尤其對于跨超風洞，試驗馬赫數(shù)范圍較寬，因此采用全柔壁噴管。

全柔壁噴管的設計必須解決幾個問題，一是確保噴管在不同的馬赫數(shù)下，柔板不產生集中彎矩，保證型面曲率的連續(xù)；二是解決好氣動型面優(yōu)化及氣動型面與彈性曲線的匹配，保證在試驗段得到優(yōu)良的氣流品質。0.7m×0.5m風洞上下壁采用多支點全柔壁，上游連接收縮段、下游連接試驗段，左右壁為固定壁。

（三）第二喉道設計技術

對于不同種類的風洞第二喉道的作用是不一樣的，在常規(guī)超聲速風洞中第二喉道的主要作用是降低風洞的運行壓力比以節(jié)省試驗用氣或降低風洞運轉功率；在跨聲速風洞中第二喉道的主要用途是精確控制試驗段馬赫數(shù)，并阻斷從二喉道下游向試驗段逆氣流傳播的噪聲。在超聲速風洞中，通常采用調節(jié)片式第二喉道。調節(jié)片式二喉道擴壓效率較高，但由于結構笨重，很難用于在風洞運行過程中快速精確控制馬赫數(shù)。在跨聲速風洞中，一般采用柵指式二喉道或可調中心體式二喉道。氣動中心的2.4m跨聲速風洞和瑞典的T1500風洞采用了柵指式第二喉道。而歐洲的ETW風洞使用了可調中心體的二喉道方案。0.7m×0.5m風洞采用三段調節(jié)片加柵指二喉道方案。三段調節(jié)片布置于左右側壁，采用鉸鏈調節(jié)方式。柵指段安裝在二喉道上下壁板上，通過電動缸驅動，滑軌滑塊導向。

三、結論

0.7m×0.5m暫沖式跨超聲速風洞設計指標要求達到了國際先進水平，為確保風洞建成后具備較好流場品質、較高試驗效率和較強的試驗能力，風洞設計方案采取了多種技術途徑和多項新型的關鍵技術。重點介紹了環(huán)狀縫隙調壓閥、全柔壁噴管和三段調節(jié)片加柵指式二喉道等新型關鍵部段。這些技術途徑和新型技術需要在0.7m×0.5m風洞中加以驗證并開展大量的實驗研究。