摘 要： 从三个方面综述了2017年国外发达国家风洞试验发展动态, 包括国家风洞试验设备改造情况、风洞试验技术发展情况以及大型风洞开展的试验研究项目。在此基础上, 给出了风洞试验未来发展趋势的分析研究结果。
关键词： 风洞试验; 风洞测试技术; 风洞设备;
0、引言
大型风洞试验设备被视为国家的战略资源。风洞试验是开展先进飞行器预研、型号设计/评估和CFD工具验证的重要手段。透过2017年度国外航空航天发达国家风洞试验设备、试验技术和风洞试验情况的发展动态, 我们可以从一个侧面了解和认识国外发达国家风洞试验和飞行器研究的现状, 分析发展趋势, 从而为我国风洞设备建设和型号研制提供参考。
1、 加强核心风洞设备改造, 提高试验模拟能力
根据1949年美国国会颁布的81-415公共法案, 美国国家风洞试验设备主要集中于建设NASA (美国国家航空航天局) 和军方的AEDC (阿诺德工程发展综合体) 。进入21世纪以来, 美国国家风洞试验设备已完成“去产能”工作, 国家资源向国家基本核心风洞集中, 提高资金利用率和风洞更新改造的科学化管理水平。根据NASA航空评估和试验能力项目 (AETC) , 2017年, 美国NASA完成了对兰利、格林和艾姆斯三个研究中心12座核心风洞设备2016财年的评估工作, 掌握了主要风洞设备现状、可靠性以及满足未来五年试验的能力, 更新了设备管理数据库, 为科学管理风洞维修改造奠定了基础。NASA格林中心IRT结冰风洞采用组合使用标准喷嘴和Mod 1喷嘴的方式, 调试完成IRT水滴分布, 满足FAA 25部附录O冻雨 (FZDZ) 模拟MVD<40的试验模拟要求。
世界最大的全尺寸风洞———美国NASA的NFAC (国家空气动力设施) 在经历了2003年关停、2008年交由军方AEDC管理运营后, 美国国防部投资、由Jacobs工程/宇航试验联盟 (ATA) 负责对其进行了全面恢复和升级改造工作。2017年, AEDC完成了安装有27个探头的巨大流场校测排架设计加工工作, 并计划对风洞的流场品质和运行包线进行全面校测。另据美国《航空周刊》网站2017年6月19日报道, NFAC在试验中发生壁板脱落事故, 导致风洞风扇叶片损坏, 处于待维修状态;完成了兼容多操作系统 (Windows、Linux、Apple、Android) 的实时试验显示系统 (real TDS) 并投入使用。NASA格林研究中心对2.4 m×1.8 m超声速风洞升级静态数据系统, 升级后的数据系统名为COBRA, 取代现有的ESCORT系统;4.6 m×2.7 m低速风洞进行声学试验段升级改造。目标是使边界层噪声降低5~7 d B;3.1 m×3.1 m超声速风洞进行了旨在提高马赫数能力的研究工作。
AEDC 16T大型跨声速风洞完成动力系统运行模式的改造, 填补了该风洞马赫数0.3~0.6的运行空白。在高超声速领域, 兰利气动热力学实验室 (LAL) 将气动加热测试 (IHEAT) 成像软件程序升级为IHEAT 4.0。H2电弧加热器进行了重大升级, 风洞的管式加热器被改造为先进的片式加热器, 提升了风洞对热结构和材料的试验能力;对封存近10年的S-1弹道靶进行全面激活检测维护工作, 准备承接空间碎片碰撞试验。波音公司BTWT大型跨声速风洞设计加工了新的双转轴模型支撑系统。
法国ONERA (法国国家航空航天研究院) 拥有配套的大型风洞试验设备, 近年来, 法国国防部和民用航空局投资44.5亿欧元加大这些风洞设备的升级改造。在2016年投资1 500万欧元改造各风洞信息系统的基础上, 2017年, 投资500万欧元, 对欧洲三座战略风洞 (S1MA、ETW和DNW-LLF) 之一的S1MA (试验段名义直径8 m) 风洞进行风扇叶片更新, 用新的钢和复合材料混合叶片替代老旧的22片对转桨风扇叶片。改造后, 风扇叶片更加坚固耐用, 提升风洞的试验效率。
由法、德、英、荷欧洲四国合建并运营的ETW风洞是世界最先进的低温高雷诺数风洞。自2014年4月起, ETW发起了一个实现绿色飞机设计 (GADE) 风洞升级改造计划, 目的是保持ETW风洞在世界的领先地位, GADE计划将持续进行几年, 2017年仍在推进中, 目前主要完成了风洞通用控制系统架构、新的试验监视系统、高升力试验空气系统、风洞计算机和软件系统、光纤数据传输系统、空气干燥系统等。加拿大ARC (国家研究委员会) 的1.5 m三声速风洞更新了软硬件, 完成了风洞实时控制和数据采集系统改造。
在风洞建设上, 印度ISRO (印度空间研究组织) 维克拉姆萨拉巴伊航天中心 (VSSC) 自行设计建设的1 m尺寸高超声速风洞和1 m尺寸激波风洞完成调试运行。另外, 国外大学有少量研究风洞建设, 如美国伊利诺伊大学建设了一座250 k W电弧加热超声速和高超声速燃烧风洞设备 (ACT-2) ;南卫理公会大学 (SMU) 建设了0.3 m亚声速风洞等。美空军与圣母玛利亚大学开始联合研制M6静音风洞。该风洞将建在圣玛利亚大学的怀特流体研究设备室。
2、 改进和创新风洞测试技术, 提高试验精细化水平
在模型技术方面, 空军研究实验室 (AFRL) 探索发展气动弹性风洞模型3D打印技术 (PAW-Print) , 通过采用多材料3D打印技术更加精确地控制模型外形和局部刚度, AFRL采用该技术制作了X-56A飞翼颤振模型, 并在立式风洞中进行了试验。在风洞精细化试验中, 模型变形测量对精确分析和处理气动载荷变化原因具有重要意义。模型变形测量国外已经发展了多种光学测量方法, 如欧洲ETW风洞基于摩尔干涉原理的MDM和立体图像跟踪SPT、NASA兰利中心的摄影模型变形系统VMD、AEDC和法国ONERA利用压敏漆的变形测量技术等。2017年, NASA艾姆斯中心发展了一套新的模型变形和迎角测量系统, 能提供小于0.1 mm和小于0.05°的模型变形测量, 并计划进一步改进光源和数据处理方法。
图1 国外大型风洞设备改造
在模型表面压力测量技术方面, NASA的压敏漆技术PSP在跨超声速领域已经实用化, 为了更好地让用户了解这一技术, NASA给出了这一技术在统一规划风洞中的用户指南。德国DLR (德国航空航天中心) 对基于生命周期的PSP测量方法进行了改进, 优化相机和LED光源设置, 改进数据采集, 并应用于TWG风洞。
在模型气动力测量方面, 为满足波音全尺寸垂尾型号试验的需求, 美国国家全尺寸风洞空气动力设施 (NFAC) 发展了半模洞壁干扰修正技术, 拓展了NFAC风洞模型支撑方式和已有的洞壁干扰修正能力。AEDC联合美国科研院所研发了2分量表面摩擦力直接测量传感器和采用压电与应变片的混合静/动态力天平测量系统, 并已应用于AEDC 9号风洞。NASA在格林中心225 cm2超声速风洞开展磁悬挂天平系统进行钝头体动稳定性试验的可行性技术研究。2017年, 俄罗斯中央流体动力研究院 (Ts AGI) 开发了一种跨声速风洞中模型支撑方法, 在支撑系统的吊索上安装了应变计以测量模型受到的气动力, 相比传统方法可以减小支撑装置对模型的气动干扰, 提高测量精度, 减少测量时间, 提高效率。
在气动热测量方面, 德国慕尼黑联邦武装力量大学采用激光诱导光栅光谱学方法发展了激波风洞高温测量技术, 并在LEHM高焓激波风洞进行了验证。美国圣母大学发展了基于胶木的温敏漆技术, 该温敏漆适于高温环境。
在动态试验技术方面, 捷克航空研究和试验研究院 (ARTI) 发展了旋转颤振试验技术, 旋转颤振是一种由旋转部件导致的、发生在涡轮螺旋桨推进飞机上的一种气动颤振不稳定现象。ARTI设计了一个W-WING旋转颤振验证器, 建立了试验设备和试验方法。北约 (NATO) 科学技术组织应用飞行器小组开展了气动弹性不确定度量化研究, 在NASA兰利中心利用半模超声速运输机 (S4 T) 模型开展了气弹不确定度评估方法研究。意大利、英国、以色列等科研院所在欧盟GLAMOUR项目资助下, 以欧盟绿色支线飞机为背景, 发展了阵风载荷抑制方法, 建立了大尺度全气弹模型风洞试验验证技术。
在流动显示技术方面, NASA艾姆斯中心对应用于统一规划风洞的红外流动显示系统进行了改进, 对模型表面涂层、红外相机和在线数据处理进行了改进和优化, 能够实时显示模型表面流态, 观察边界层转捩、拐角流、激波和涡等流动现象。此外, NASA还采用光学流概念 (即由亮度变化导致的一幅图像序列的明显变化) 改进基于背景的纹影技术, 并应用于跨声速飞行试验和风洞试验。在低温风洞光学测速上, NASA兰利研究中心发展了飞秒 (10-15s) 激光电子激发示踪测速技术 (FLEET) , 该技术不需要示踪粒子 (只需氮气) , 它通过跟踪飞秒激光脉冲产生的等离子发光序列图像测量速度, 很好地解决了示踪粒子对风洞的污染问题。
在结冰测试技术方面, 加拿大国家研究委员会 (NRC) 和美国NASA格林研究中心研制了新型便携式等动能探头 (CIKP) , 并用于结冰风洞 (IRT和加拿大冰晶风洞) 中总水含量的测量, 完成了探头风洞校准, 并与热线和飞行版本探头进行了对比研究。
美国NASA和AEDC、法国ONERA等加强了计算建模和CFD辅助风洞试验研究和评估工作, 提高了风洞试验的能力和效率。
3、 大型高品质风洞成为型号试验研究的主力军
美国NASA国家跨声速风洞 (NTF, 试验段2.5 m×2.5 m) 和洛马公司4.9 m×7 m低速风洞进行了缩尺比4%混合翼身融合体 (HWB) 布局运输机试验研究。该项目是洛马公司、AFRL、NASA联合开展的革命性军用机动作战混合翼身融合体 (HWB) 布局运输机项目, 目标是实现军用运输机相比目前节约燃料70%。NTF进行的是半模、高雷诺数性能验证试验研究;低速风洞进行的是全模带动力试验研究。
图2 国外改进或发展的测试技术
NASA艾姆斯研究中心2.7 m×2.1 m超声速风洞开展了发动机尾流/激波干扰声爆试验研究, 目的是为未来民用超声速技术项目 (CST) 提供技术支撑。格林研究中心IRT结冰风洞与加拿大NRC的冰晶风洞 (ICT) 开展了结冰流场总水含量测量对比基础试验研究;IRT结冰风洞对FAA25部附录O冻雨试验模拟条件进行了风洞调试;开展了机翼结冰对风洞堵塞和三维效应研究;对用于热冰防护系统 (TIPS) 的变高度缩尺方法进行了试验评估。推进系统试验室 (PSL) 用NACA0012翼型开展了冰晶结冰机理研究和混合相模拟试验研究。
NFAC风洞24 m×36 m试验段开展了舱伞组合系统 (CPAS) 试验, 目的是研究各种缩尺比的伞稳定性和阻力特性, 为全尺寸伞设计提供数据;12 m×24 m试验段开展了全尺寸客机垂尾试验, 研究未来客机吹气主动流动控制技术。该试验由波音公司和NASA通过环境负责航空 (ERA) 计划合作, 目的是为改进未来客机燃料利用率。
AEDC 16T跨声速风洞 (试验段4.9 m×4.9 m) 是美国3座大型跨声速风洞之一, 该风洞隶属美国军方, 长期服务于军事航空研究, 由于保密原因, 相关试验信息披露少而晚。2017年7月3日《高马赫数》 (Vol.64, No13, AEDC刊) 披露了该风洞近年来多幅军用飞机型号改进试验图片, 如A-10攻击机压敏漆试验, B-52战略轰炸机、F-35战斗机外挂分离试验等。
法国ONERA S1MA (试验段名义直径8 m) 进行了通用研究模型 (NASA和波音开发的民机标模) 试验, 目的是与AIAA阻力预测工作组 (DPW) CFD计算结果进行比较;为欧洲清洁天空研究计划进行了低阻层流机翼半模 (5.2 m) 、Ma=0.74试验, 试验雷诺数接近真实飞行条件;F1风洞 (试验段4.5 m×3.5 m) 开展了模拟大气边界层的进气道试验研究, 研究表明大气边界层对发动机运行范围有显着影响。ONERA的LAERTE设备首次进行了等离子体辅助的超声速燃烧试验, 为双模态超燃冲压发动机试验研究奠定了基础。
德荷DNW-HST (试验段2 m×1.8 m) 为中航工业 (CAE) 进行了CAE-AVM商用运输机试验, 目的是验证发展CFD工具。欧洲ETW风洞开展了真实飞行雷诺数条件下的空客K3DY缩尺比1∶13.6的半模声学测量试验, 研究了Ma、Re对各种结构声源的影响, 开展了基于生命周期的PSP试验技术研究。
2017年, 俄罗斯Ts AGI完成了MC-21飞机带动力风洞试验以及未来民机先进气动布局的风洞试验。俄罗斯科学院西伯利亚分院理论与应用力学所 (ITAM) 在T-325低湍流度跨声速风洞开展了激波边界层干扰定常和非定常特性影响的试验, 目的是研究在流入的边界层从层流到湍流的不同状态下的激波边界层干扰, 考察利用不同粗糙度 (或湍流器) 控制分离流的效果。
图3 国外大型风洞部分典型试验
4、 几点分析
1) 国外航空航天发达国家未来或许鲜有大型风洞建设。美国NASA和AEDC、法国ONERA、德荷DNW群、俄罗斯Ts AGI等国家大型风洞设备数量架构已基本稳定。欧洲确立了S1MA、ETW、DNW-LLF三座欧洲战略风洞, 美国在21世纪初完成了风洞“去产能”工作, 许多冗余大型风洞设备被拆除。发达国家型号数量的减少、长期风洞试验数据的积累和CFD工具的发展, 造成型号研究对大型风洞的需求趋于饱和;另一方面, 大型风洞设备造价高, 即使建设新风洞, 相比现有风洞, 模拟能力并不能实现质的提升, 美国在21世纪初的多个建设计划并未付诸实施就是很好的证明。因此, 未来发达国家或许鲜有大型风洞设备建设。
2) 国外大型风洞设备更新改造将更加常态化和科学化。发达国家大型风洞设备大多建设于20世纪50~90年代, 风洞设备尽管在不同时期有过更新改造, 但面向未来高品质试验需求和市场竞争压力, 采用先进动力系统、计算机和测控技术, 以及改进和提升风洞模拟能力和试验效率将常态化, 美国NASA在定期核心风洞设备评估、加强面向未来的设备改造预测方面迈出了实质性一步。
3) 风洞试验与CFD结合将更加紧密。自20世纪70年代开始, CFD能否取代风洞试验之争似乎就没有停止过。如今, CFD工具已经在工程应用中发挥着越来越大的作用。但从现实看, 为CFD工具发展提供可靠试验数据的大型风洞试验在增多, 显然, CFD工具的发展依然依赖大型风洞试验数据的验证, 另一方面, CFD辅助大型风洞试验, 提高试验效率也已成国外常见做法。因此, 在可预见的未来, 风洞试验和CFD不是取代关系, 而是一种更加紧密的依赖或结合关系。
4) 大型风洞设备不仅是生产型设备, 更是应用研究设备。在传统观念上, 小型风洞设备被认为是研究型设备, 大型风洞设备被视为生产型设备。但在现代高性能型号研制和改进中, 许多气动现象和工程问题的解决, 依赖大尺度模型的细节模拟和大型风洞的试验研究。显然, 近年来, 大型风洞面向工程应用的研究型试验增多。因此, 做好大型风洞试验是国家风洞试验机构科研工作的基础, 也是开展面向型号应用的工程研究基础。
5) 型号试验精细化发展和市场竞争需要不断改进和创新试验技术。风洞品质和性能只代表一种再现飞行环境的能力, 高品质的风洞设备只有配备先进、可靠的试验技术, 才能发挥大型风洞试验满足型号精细化设计作用。从国际上型号研制数量减少以及联合研制增多的发展趋势看, 风洞试验领域的竞争日益加剧, 型号试验正向少数试验能力强、口碑好的风洞集中, 风洞试验也将走向品牌化。
5、 结束语
大型风洞试验设备和试验技术研究是提高未来航空航天飞行器性能的基础。国外航空航天大型科研机构对风洞设备和试验技术改进一直在持续发展中, 在大型风洞试验飞行器研制中取得了新的进步。国外风洞领域开展的工作将为我们提供很好的学习和借鉴经验。
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