力學所激波風洞團隊新進展:爆轟驅動超高速風洞的理論與方法

2020-11-27 騰訊網

要通往無垠星空、浩瀚宇宙，跨越地球大氣層的高超聲速空天飛行技術是關鍵。60多年來，對高超聲速關鍵技術的驗證依然高度依賴於昂貴、耗時、低效的飛行試驗，而難以通過地面風洞試驗完成，這大大阻礙了高效、快捷、低成本空天飛行技術的發展。

pixabay（mohamed_hassan）

最近，中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室的激波研究團隊（姜宗林研究員、李進平高級工程師、胡宗民副研究員，劉雲峰高級工程師、俞鴻儒院士）取得了突破性進展，在《國家科學評論》(National Science Review, NSR) 發表研究論文，提出了先進爆轟驅動超高速風洞的理論與方法，為研製能夠覆蓋空天飛行器全包線的超大型高超聲速風洞奠定了基礎。

高超聲速風洞實驗模擬存在四個難點：（1）不能用替代實驗氣體模擬化學反應機制；（2）為確保反應過程的正常觸發，必須模擬氣流溫度以確保化學反應進程的復現；（3）由於熱化學反應的不可縮尺性，必須產生足夠大的試驗流場、採用足夠大的模型，解決非平衡流動模擬問題；（4）需要適當長的實驗時間，以確保流場穩定，從而完成超聲速燃燒和飛行器氣動力的實驗研究。如何同時滿足上述四個需求一直是世界難題。

研究者從上述四大需求出發，分析了國際主流高焓激波風洞技術的局限性，建立了系統的爆轟驅動高超聲速風洞理論，並進一步提出了激波反射型正向爆轟驅動方法。藉助爆轟波反射產生的上行激波，實現了爆轟波形的剪裁和重構，解決了稀疏波導致入射激波嚴重衰減的學科難題，驅動能力比反向爆轟驅動模式提高了5倍。正向爆轟驅動器成功應用於JF-10 爆轟驅動高焓激波風洞，獲得了總溫高達7000 K的實驗氣流，其結構示意圖和驅動性能實驗曲線如圖所示。

激波反射型正向爆轟驅動器的結構示意圖及驅動性能實驗曲線

研究者還發展了正向爆轟驅動激波風洞的界面匹配條件，通過可燃混合氣組分的調製，實現了試驗氣體與爆轟產物的聲阻抗匹配，解決了入射激波通過氣體界面時的多次反射問題。界面匹配條件成功應用於JF-12復現風洞，獲得的試驗時間長達100ms，比同類風洞提高數十倍。

上述高超聲速風洞理論與技術獲得了國家自然科學基金委「國家重大科研儀器研製項目」的資助，並正在研製一座超大型正向爆轟驅動超高速激波風洞，該風洞將能夠覆蓋馬赫數10-25、高度35-90 km的飛行包線，為高超聲速空天飛行技術驗證提供實驗手段，成為鋪就跨越大氣層星空之路的重要基石。

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