[科普中国]-热射风洞

简介

电弧风洞和放电式风洞都是利用电弧放电所释放的能量对驻室气体进行加热的热射风洞，是一种高焓高超声速风洞。电弧风洞是在较低的电压下连续放电，电弧停留时间比较长，单位时间释放的能量比较少。放电式风洞是在更高的电压下瞬间放电，单位时间释放的能量要此电弧风洞大得多，但风洞的t作时间比较短。

与常规高超声速风洞和激波风洞不同，热冲（热射）风洞的试验气流是准定常流动，试验时间为20~ 200ms；试验过程中弧室气体压力和温度取决于试验条件和时间，与高超声速风洞和激波风洞相比要低10%—50%。热冲风洞如图1所示。所以要瞬时、同步地测量试验过程中试验段的气流参量和模型上的气动力特性，并采用一套专门的数据处理技术。热冲风洞的研制开始于20世纪50年代初，落后于激波风洞。原来是要利用火花放电得到一个高性能的激波管驱动段，后来就演变成热冲风洞。“热冲”这个词是R.W.佩里于1958年提出来的。1

电弧风洞电弧风洞运行前需要储能装置储存电能，弧室充人一定压力的气体，膜片下游各部位被抽吸到近真空状态。运行时，储存的电能以千分之一毫秒到几十毫秒的时间在弧室内通过电弧放电释放，以加热和压缩气体。当弧室中压力升高到某个预定值时，膜片被冲破，气体经过喷管膨胀加速，在试验段中形成高超声速气流，然后通过扩压器排入真空箱内。1

放电式风洞放电式风洞的部件组成与电弧风洞类似，电弧放电能在短时问内释放出大量能量，因而气流温度可以达到很高。例如，1个大气压空气中的焊接电弧，弧心处的气体温度可达6500K左右，相当于飞行器在同温层以Ma=12飞行时的驻点温度。放电式风洞在启动前，先把空气或其他气体压人高压驻室内，高压驻室与喷管之间用薄膜隔开。预储在电容器中的大量电能，通过驻室内的电极放电。放电所释放的巨大能量，将驻室内的空气加热到很高的温度，同时压力也大大提高。此时薄膜破裂，高压高温气体进入喷管而膨胀，在试验段就得到具有很高马赫数和很高温度的流动。风洞试验能维持的时间在50ms左右，密度及雷诺数都能达到较高的值。1

关键技术热射风洞的一个技术关键是将材料烧损和气体污染减少到可接受的程度。采取的措施有：以氮气代替空气作为试验气体，减小暴露在热气体中的弧室绝缘面积，合理设计材料烧损生成微粒的电极和喉道挡板结构，适当选取引弧用的熔断丝，限制风洞在弧室气体温度低于4000K下运行等。热射风洞的储能装置有电容和电感两种方式。前者常用于储存10MJ以下的能量，后者多用于储存5MJ~100MJ的能量。还有一种方式是电网直接供电，其能量一般为10MJ量级，不同的电能利用方式要求有相应的充电放电系统。热射风洞的模拟范围一般可以达到马赫数8~ 22，每米雷诺数(0.1~200)×106。长达上百毫秒的试验时间，不仅使它一次运行能够完成模型的全部迎角的静态风洞试验，而且可以进行风洞的动态试验，测量动稳定性，以及采用空气作试验气体（温度一般在3000K 以下）进行高超声速冲压发动机试验。1