支撐高超聲速飛行器研發的關鍵——新型流場可視化技術

眾所周知，無論是地面上高速行駛的火車，還是天上飛行的飛機和飛彈，無不受到空氣的影響；在研製的過程中不得不根據流體力學、空氣動力學、飛行原理等諸多專業知識來考慮流場的因素，儘可能規避氣動缺陷、取長補短，並巧妙的順勢而為，從而取得最優化的氣動外形設計。

什麼是流場？簡單的說，流場就是物體或飛行器在飛行過程中引起氣流運動的空間分布；也或者說，物體或飛行器在飛行過程中，圍繞在物體或飛行器周圍的空氣相應形成的一個特殊運動空間環境。比如，飛彈、飛機在空中飛行而不會掉下來，表面光滑的高爾夫球沒有粗糙的高爾夫球飛得遠，在光滑的子彈頭上刻劃出幾道螺旋痕會比沒有刻劃螺旋痕的子彈射程更遠等，都是因為空氣運動的流場變化影響。

比如，飛行器在飛行過程中，圍繞著飛行器周圍的空氣速度、壓強和溫度等，在時間和空間上會發生明顯的變化。研究人員利用這種變化產生的氣動力，通過對飛行器動力系統、外形、速度及操控進行設計，讓飛行器獲得重力反向的升力，從而使其在空中按照設計狀態飛行；同時，利用「氣動力作用點與飛行器重心不重合」產生的力矩作用，來改變飛行姿態和調整飛行方向。

上圖為高超聲速飛行器流場可視化圖像

讓看不見的流場顯露「真容」：空氣是看不見、摸不著的物質，相對於其它可視性的科學研究領域，流場更顯得神秘莫測。流體運動是非常複雜的過程，其涉及的學科眾多，流體力學是其中的一個方面，主要研究的是流場中的流動問題。流場的複雜性主要體現在飛行器在飛行過程中既產生相對均勻的氣流，也產生彎曲流線組成的氣流，而且還產生各種大大小小、不同方向和不同速度旋轉的漩渦；這一切現象使得流場中不同位置上的速度和方向不斷改變，讓人難以捉摸，行業技術上稱為「奇異線流場」。要研究如此複雜的空氣動力現象，最好的辦法莫過於讓流場動態顯現出來。於是，英國科學家雷諾，於1883年，利用滴管在流體內注入顏料的方式，觀測水流的運動形態；在水流比較緩慢時，水流出現層狀有序的直線運動，互相平行沒有相互擾動；當流速加快時，水流則出現無序的雜亂運動，並呈現出相互摻雜混合的現象；因此，發現了「層流」和「湍流」兩種流場現象，及兩個科學概念。從水流聯想到空氣流動，有時煙窗冒出的煙也會產生相似的流動現象；由此，奧地利科學家馬赫利用紋影可視化技術，在研究飛行拋射體時，發現只有在拋射體速度超過聲速時，拋射體前方才會存在空氣流動現象，因此，這一發現也成為了空氣動力學研究的一個重要成果。

此後，流場可視化技術得到了不斷的發展進步，隨著計算機技術的快速發展及高分辨圖形顯示設備的出現，流場可視化技術相繼出現了壁面示蹤法、直接注入示蹤法、化學示蹤法、絲線法、電控法及光學示蹤法等幾十種方法，這些各種類型的方法實現了實時描述飛行器全流場的流體動態情景，從而讓隱形的流場顯露「真容」。

新型流場可視化技術助力高速飛行器研製：通過流場可視化技術，科研人員能夠直觀而詳細的了解飛行器流場複雜的空氣動力現象，在探索飛行器流場物理機制和運動規律時更加條理清晰，在研究和解決困擾飛行器研製上的技術難題時，能夠幫助科研人員快速地找到問題所在，從而使得解決問題更加恰當。比如，通過流場可視化技術，掌握了飛機在飛行中機翼如何產生漩渦現象，因而直接推動了飛行器設計上的創新突破，從而使鴨翼加邊條翼氣動布局的非主流戰機應運而生（比如殲20的氣動設計）。另外，通過對飛行器表面空氣流動進行可視化研究，能夠準確判斷出氣流分離出現的具體位置；對飛行器表面氣流分離現象可能導致失速的安全問題，能夠得到更合理而有效的解決。

人類的理想是永無止境的，讓飛行器飛得更高、更快、更遠、更自如、更安全就是航空航天科研人員不懈的追求。然而，隨著速度的不斷增加，飛行器飛行時產生的流場動態也會越來越複雜，傳統的流場可視化技術已無法滿足需要。特別是高超聲速飛行器，流場動能更大、空氣摩擦溫度更高，強烈的激波和黏性摩擦阻力使飛行器流場溫度加熱到數千攝氏度，流場表現出的非線性、非平衡、多尺度等特徵可導致流場特性急劇變化，使得飛行器特性更加難以預測，從而嚴重製約和阻礙更高速度的高速飛行器的發展。

由於國家投入的加大，科研人員經過不懈探索和大膽創新，目前已有多種新型流場可視化技術相繼問世；其中一種「基於納米示蹤的高速流場可視化技術」，通過以納米尺度粒子為示蹤物，較好的解決了以傳統微米示蹤物不能滿足的檢測難題。該新型流場可視化技術的成像信號比分子成像示蹤物的成像信號大幅增強，使流場可視化質量得到極大的提高。該新型流場可視化技術能夠對流場速度場、密度場、湍流脈動及氣動光學波前等流場參數進行高解析度試驗測量。該技術在高速飛行器流場試驗測量方面取得了較好的效果，逐步實現了對超聲速、高超聲速飛行器流場的高質量可視化，解決了一系列高速飛行器氣動設計相關的關鍵問題，同時也推動了高速飛行器流場中湍流基礎研究的進步，為破解超聲速、高超聲速飛行器氣動難題提供了關鍵的技術支撐。隨著各種尖端飛行器的不斷需求，未來將不斷湧現出越來越先進的新型流場可視化技術，成為高速飛行器發展進步的強大推動力。

本文參考了中國軍網9月11日發表的《神奇的流場可視化技術》一文。