(免费) 2025年美国的风洞试验展望
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第 24 卷
第4期
2010 年 08 月
实 验 流 体 力 学 Journal of Experiments in Fluid Mechanics
Vo l. 24, N o. 4 A ug. , 2010
2025 年美国的风洞试验展望
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施 , 从 1985 年到 2009 年过去的 24 年中, 美国 NASA 、 国防 部、 工业界所属的主要国家风洞试验设施, 由于航空航天研制பைடு நூலகம்号减少、 经费预算降低、 型号研究试验要求提高 等因素影响, 常用主要风洞数量锐减近 50% ( 图 1) , 同时 , 美国各种主要风洞至今也运行了约 30~ 70 年。
Fi g. 1
图 1 1985 年和 2009 年美国主要在用风洞对比 Comparison of American usi ng wi nd tunnel in 1985 and 2009
美国一些政府机构、 工业界、 国防部、 NASA 等都期望重新振兴美国的风洞试验设施 , 因为 , 根据 2005 年 美国科学技术政策研究所 ( ST PI) 的 CFD 能力评论 国防分析报告 , 如果计算能力遵循以往历史发展趋势而 行, 用 CF D 完成飞机设计数据库生成将是四十年以后的事情。因此 , 在可预见的将来, 尽管 CFD 的作用不断 增强 , 但风洞仍将是飞行器研发不可替代的基础设施。A IAA 地面试验技术委员会( GT T C) 对未来风洞试验 提出了 5 项建议 : ( 1) 建立一支知识型试验队伍是国家风洞试验设施建设的关键 ; ( 2) 改进试验技术是确保未来航空航天系统发展的关键; ( 3) 维修和改造关键试验设备是确保未来试验能力的一个至关重要的方面; ( 4) 停用备用的和非必需的试验设备对集中有限资源致力于关键能力和新风洞设施建设是有必要的; ( 5) 建设新的高速风洞试验设施对满足未来航空航天系统发展是有必要的。 2025 年美国的风洞试验能力展望与其航空航天飞行器发展密不可分 , 美国 21 世纪航空航天飞行器发展 的重点、 所需要的空气动力关键技术决定了美国风洞试验能力的发展方向。根据未来航空航天飞行器发展, 一 些领域面临技术和发展的挑战 , 它们主要是: ( 1) 跨声速运输机到高超声速飞行器; ( 2) 低雷诺数微型飞行器或超微型飞行器风洞试验模拟; ( 3) 扑翼的非定常空气动力试验 ; ( 4) 微型飞行器和混合式飞艇城市高湍流度流动环境试验模拟 ; ( 5) 平流层试验模拟能力: M = 0. 5~ 2. 5, R e= 1. 6 ! 107 / m, 动压 q = 71. 82kP a, 高度 24. 4km; ( 6) 用于 ISR( 情报、 监视、 侦察 ) 飞行平台的低雷诺数、 超低湍流度试验模拟 ; ( 7) 用于高速飞行平台的高雷诺数、 低湍流度试验模拟。 基于以上航 空航天飞行器 发展需要 , 美国洛克希 德 ∀ 马 丁航空公司、 阿诺德工 程发展中 心 ( AEDC ) 、 NASA 等对 2025 年美国风洞和试验能力发展展望如下: ( 1) 建设新的三声速风洞, 试验段尺寸约 5. 6~ 9m 2 , 速度范围 M = 0~ 5, 模拟高度 24. 4km( 平流层模拟 ) , 雷诺数 Re= 1. 6 ! 107 / m 。风洞能进行不同速度范围、 多种类型试验;
实
验
流
体
力
学
( 2010) 第 24 卷
( 2) 风洞将具备先进的数据采集能力, 能够实时、 定量显示模型表面和周围流场信息 , 并与计算模拟确认 整合 ; ( 3) 先进光学全场测量系统广泛应用, 成为了解模型表面和周围流场信息的非常易用的工具 ; ( 4) 风洞试验高度自动化, 模型姿态、 试验条件等变化更加容易 ; ( 5) 风洞将是一个融入网络、 高度互联的设备, 风洞试验数据将与已有的计算设计模拟或飞行试验数据库 完全随时融合, 相互支持 , 需要风洞试验数据的各部门相关人员不需要到风洞试验现场; ( 6) 试验模型快速成型能力。能够在试验现场快速再造或生成模型 , 这对研究型试验任务是非常必要的; ( 7) 低碳节能。风洞设计要评估一些非传统的设计, 如 : 椭圆型回路、 多循环试验环境、 极低摩擦回路设 计、 可变试验段尺寸等等 ; ( 8) 现代试验设计( M DOE) 将成为一种标准的风洞试验技术 , 该技术基于统计学原理, 能够更加合理有 效地设计试验计划。 ( 9) 知识型试验队伍。风洞高度的自动化、 丰富的各类试验诊断工具、 高效的风洞试验要求 , 对风洞试验 队伍有极高的要求。 综上所述, 美国未来飞行器除传统空域的运输机和无人战斗机外 , 微型飞行器和同温层飞行平台 ( 长时间 侦察、 快速打击 ) 将是发展的方向 ; 美国有关部门似乎有意建造一种横跨低、 跨超、 高超声速的三声速风洞, 该 风洞具备同温层模拟能力 ; 2025 年, 展望美国的风洞试验将是一种融合先进试验方法、 网络物联技术、 测控技 术等高度自动化的试验, 是一种与计算和飞行试验、 型号设计部门融为一体的试验 , 是一种由知识复合型人才 队伍操控进行的试验。 当前 , 世界风洞设备已从规模、 数量转向品质、 能力。在亚、 跨声速领域, 欧洲无论在试验的质量和生产效 率上都可以抗衡甚至超越美国 ; 在超声速和高超声速领域, 世界一流风洞设备主要为美国所占据。纵观世界风 洞设备的发展现状, 在可预见的未来, 世界一流风洞设备主要有 3 种类型: ( 1) 20 世纪 50~ 60 年代建设、 但目前和今后一个时期仍为世界一流的风洞。风洞建设投资大、 周期长, 早 期建设的一些世界一流风洞在经过了更新改造后 , 可以满足未来飞行器研制的大部分试验需要, 在今后相当长 的一个时期内, 这些风洞仍将担当风洞试验的主力设备 ; ( 2) 世纪之交建设的世界一流风洞。 20 世纪 90 年代以来, 针对航空航天发展的需要, 一些国家开始建设 高性能的新型风洞。这些风洞在参数设计、 回路及截面形状选择、 噪声和湍流度控制方法、 静音喷管设计等方 面都有新的技术突破 , 风洞的性能显著提高, 堪称世界一流 ; ( 3) 未来采用新理念、 新概念设计建设的世界一流风洞。未来新型飞行器的发展, 对风洞试验模拟能力提 出了挑战 , 促进了一些新概念风洞的研究发展。
( 中国空气动力研究与发展中心
战培国供稿 )
第4期
2010 年 08 月
实 验 流 体 力 学 Journal of Experiments in Fluid Mechanics
Vo l. 24, N o. 4 A ug. , 2010
2025 年美国的风洞试验展望
风洞是航空航天领域极为重要的地面试验设施 , 从 1985 年到 2009 年过去的 24 年中, 美国 NASA 、 国防 部、 工业界所属的主要国家风洞试验设施, 由于航空航天研制பைடு நூலகம்号减少、 经费预算降低、 型号研究试验要求提高 等因素影响, 常用主要风洞数量锐减近 50% ( 图 1) , 同时 , 美国各种主要风洞至今也运行了约 30~ 70 年。
Fi g. 1
图 1 1985 年和 2009 年美国主要在用风洞对比 Comparison of American usi ng wi nd tunnel in 1985 and 2009
美国一些政府机构、 工业界、 国防部、 NASA 等都期望重新振兴美国的风洞试验设施 , 因为 , 根据 2005 年 美国科学技术政策研究所 ( ST PI) 的 CFD 能力评论 国防分析报告 , 如果计算能力遵循以往历史发展趋势而 行, 用 CF D 完成飞机设计数据库生成将是四十年以后的事情。因此 , 在可预见的将来, 尽管 CFD 的作用不断 增强 , 但风洞仍将是飞行器研发不可替代的基础设施。A IAA 地面试验技术委员会( GT T C) 对未来风洞试验 提出了 5 项建议 : ( 1) 建立一支知识型试验队伍是国家风洞试验设施建设的关键 ; ( 2) 改进试验技术是确保未来航空航天系统发展的关键; ( 3) 维修和改造关键试验设备是确保未来试验能力的一个至关重要的方面; ( 4) 停用备用的和非必需的试验设备对集中有限资源致力于关键能力和新风洞设施建设是有必要的; ( 5) 建设新的高速风洞试验设施对满足未来航空航天系统发展是有必要的。 2025 年美国的风洞试验能力展望与其航空航天飞行器发展密不可分 , 美国 21 世纪航空航天飞行器发展 的重点、 所需要的空气动力关键技术决定了美国风洞试验能力的发展方向。根据未来航空航天飞行器发展, 一 些领域面临技术和发展的挑战 , 它们主要是: ( 1) 跨声速运输机到高超声速飞行器; ( 2) 低雷诺数微型飞行器或超微型飞行器风洞试验模拟; ( 3) 扑翼的非定常空气动力试验 ; ( 4) 微型飞行器和混合式飞艇城市高湍流度流动环境试验模拟 ; ( 5) 平流层试验模拟能力: M = 0. 5~ 2. 5, R e= 1. 6 ! 107 / m, 动压 q = 71. 82kP a, 高度 24. 4km; ( 6) 用于 ISR( 情报、 监视、 侦察 ) 飞行平台的低雷诺数、 超低湍流度试验模拟 ; ( 7) 用于高速飞行平台的高雷诺数、 低湍流度试验模拟。 基于以上航 空航天飞行器 发展需要 , 美国洛克希 德 ∀ 马 丁航空公司、 阿诺德工 程发展中 心 ( AEDC ) 、 NASA 等对 2025 年美国风洞和试验能力发展展望如下: ( 1) 建设新的三声速风洞, 试验段尺寸约 5. 6~ 9m 2 , 速度范围 M = 0~ 5, 模拟高度 24. 4km( 平流层模拟 ) , 雷诺数 Re= 1. 6 ! 107 / m 。风洞能进行不同速度范围、 多种类型试验;
实
验
流
体
力
学
( 2010) 第 24 卷
( 2) 风洞将具备先进的数据采集能力, 能够实时、 定量显示模型表面和周围流场信息 , 并与计算模拟确认 整合 ; ( 3) 先进光学全场测量系统广泛应用, 成为了解模型表面和周围流场信息的非常易用的工具 ; ( 4) 风洞试验高度自动化, 模型姿态、 试验条件等变化更加容易 ; ( 5) 风洞将是一个融入网络、 高度互联的设备, 风洞试验数据将与已有的计算设计模拟或飞行试验数据库 完全随时融合, 相互支持 , 需要风洞试验数据的各部门相关人员不需要到风洞试验现场; ( 6) 试验模型快速成型能力。能够在试验现场快速再造或生成模型 , 这对研究型试验任务是非常必要的; ( 7) 低碳节能。风洞设计要评估一些非传统的设计, 如 : 椭圆型回路、 多循环试验环境、 极低摩擦回路设 计、 可变试验段尺寸等等 ; ( 8) 现代试验设计( M DOE) 将成为一种标准的风洞试验技术 , 该技术基于统计学原理, 能够更加合理有 效地设计试验计划。 ( 9) 知识型试验队伍。风洞高度的自动化、 丰富的各类试验诊断工具、 高效的风洞试验要求 , 对风洞试验 队伍有极高的要求。 综上所述, 美国未来飞行器除传统空域的运输机和无人战斗机外 , 微型飞行器和同温层飞行平台 ( 长时间 侦察、 快速打击 ) 将是发展的方向 ; 美国有关部门似乎有意建造一种横跨低、 跨超、 高超声速的三声速风洞, 该 风洞具备同温层模拟能力 ; 2025 年, 展望美国的风洞试验将是一种融合先进试验方法、 网络物联技术、 测控技 术等高度自动化的试验, 是一种与计算和飞行试验、 型号设计部门融为一体的试验 , 是一种由知识复合型人才 队伍操控进行的试验。 当前 , 世界风洞设备已从规模、 数量转向品质、 能力。在亚、 跨声速领域, 欧洲无论在试验的质量和生产效 率上都可以抗衡甚至超越美国 ; 在超声速和高超声速领域, 世界一流风洞设备主要为美国所占据。纵观世界风 洞设备的发展现状, 在可预见的未来, 世界一流风洞设备主要有 3 种类型: ( 1) 20 世纪 50~ 60 年代建设、 但目前和今后一个时期仍为世界一流的风洞。风洞建设投资大、 周期长, 早 期建设的一些世界一流风洞在经过了更新改造后 , 可以满足未来飞行器研制的大部分试验需要, 在今后相当长 的一个时期内, 这些风洞仍将担当风洞试验的主力设备 ; ( 2) 世纪之交建设的世界一流风洞。 20 世纪 90 年代以来, 针对航空航天发展的需要, 一些国家开始建设 高性能的新型风洞。这些风洞在参数设计、 回路及截面形状选择、 噪声和湍流度控制方法、 静音喷管设计等方 面都有新的技术突破 , 风洞的性能显著提高, 堪称世界一流 ; ( 3) 未来采用新理念、 新概念设计建设的世界一流风洞。未来新型飞行器的发展, 对风洞试验模拟能力提 出了挑战 , 促进了一些新概念风洞的研究发展。
( 中国空气动力研究与发展中心
战培国供稿 )