[科普中国]-电弧风洞

简介

今年5月，中科院力学研究所研制的JF12复现风洞首次代表亚洲获得美国航天学会地面试验奖，并且成为世界最大的激波风洞，也是国际首座可复现飞行条件的高超声速风洞。位于巴蜀的中国空气动力研究与发展中心是这一成就的幕后功臣。此外中国空气动力研究与发展中心还有自主的首座多功能结冰风洞、大型低速风洞、大型低温风洞、大型连续式跨声速风洞、立式风洞、燃烧风洞、等离子体风洞、跨声速风洞、超声速风洞等。此外，中心还承担了大飞机C91975%的试验任务量、长征5号、七号实验任务、高铁动车风阻试验等。1

电弧风洞是导弹、卫星和宇宙飞船等高超声速飞行器研制的核心试验设备，就是人工制造出一段能够稳定运行的闪电，在高气压条件下将气流瞬间加热，模拟飞行器面临的高温环境。
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。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。2

国内相关电弧风洞研究某大功率电弧风洞是考核飞行器防热性能、突破热障的最主要地面试验设施，技术含量极高，建设难度极大。风洞总设计师陈德江带领科研人员，先后攻克了电源系统、加热器等多个关键技术难题，从开工到建成仅用时22个月，创造了我国风洞建设史上的新纪录。
冰花，晶莹剔透、纯洁美丽，却是飞行器的潜在杀手。“设备买不来，我们就自己造！”年逾七旬的风洞设计专家、“科技创新模范”刘政崇带领设计团队从零起步，摸着石头过河，攻克了制冷系统、喷雾系统和高度模拟系统等多个关键技术难题，扫清了结冰风洞建设的技术障碍。
综合运用风洞试验、数值计算、模型飞行试验，是著名科学家钱学森当年对我国空气动力试验研究体系作出的战略规划。利用数值计算开展空气动力学研究，2016年5月，中心新建成千万亿次/秒计算机系统正式投入运行。从万亿次/秒到百万亿次/秒、千万亿次/秒量级，短短几年，中心数值模拟计算能力实现“连级跳”，并形成一系列具有完全自主知识产权的专业计算软件，一举打破了国外商业软件多年来的行业垄断。3

热冲风洞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。2