40倍音速的风是怎么吹出来的?高超音速风洞了解一下

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40倍音速的风是怎么吹出来的?高超音速风洞了解一下

就在国庆70周年阅兵展出高超音速导弹东风-17之后不久,2019年10月21日航天科技集团十一研究院就又宣布了一个重大消息:该所圆满完成两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验,并且放上了一段异常科幻的分离动图。

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▲飞行器模型

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▲两级入轨空天飞行器分离的动图

图中可以清楚地看到飞行器周边的激波随着飞船的分离不断变化,飞行器的微小运动也看的一清二楚。

但是,这个试验是怎么做的?风洞又是怎么能够把气流加速到数十马赫的速度?我找到了一些公开资料跟大家简单分享一下。

普通风洞靠吹,高速风洞只能另想他法

当风洞的风速处于1.2倍音速以下的时候,风洞相对来说还是比较好建设的,简单来说只要用一台大电扇吹就行了。而且就算是要求的风速超过了音速,只要用一个Laval喷管把亚音速的气流转变成超音速气流即可。

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▲低速风洞和跨音速风洞的结构

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▲典型的亚音速/跨音速风洞

但是当要求气流的速度更高,甚至于风速达到十几倍音速的时候,这种风洞显然就不足够使用了,因为风扇吹动气流的能力是有限的(准确说是压缩气流的能力),但是极高的风速需要的是极大的空气压力差,所以想要追求更高风速的风洞还需要另想他法。

风速升级:压力罐吹出高速气流

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▲气球会喷出高速气体

既然需要极大的空气压力差,那么就先把高压气体储备起来不就好了么?比如说气球就是内部气压高,当打开气球嘴的时候高压气体就会在压力差的作用下加速。

所以最初的超声速风洞就是在这样的基本思想指导下建成了。如下图所示就是这种超音速风洞的结构图。可以看到图中蓝色的圆圈就是压力罐,其取代了风扇用来提供高压气体。

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▲用压力罐为动力制造的超音速风洞

但是,我们需要的是“压力差”,光有高压气体还不够,为了让高压气体尽可能地加速,我们还需要另一样东西——真空。制造出来一边是高压气体,一边是真空的状态,所以在压力罐打开的一瞬间,其中的高压气体才能像脱僵的野马一样往另一端的真空中疯狂奔跑,最终形成高达5倍音速的气流。

下面这张图就是某些大型风洞的建筑物,需要注意的是,旁边的大球球里面装的不是高压气体,也不是燃料,更加不是化学试剂,而是空无一物——这些大球都是真空的。

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▲位于美国埃姆斯市的风洞

因为这种风洞原理很简单,所以可以建造的很小,比如说下面这张图里就是一台小型的风洞。以前在上流体力学课的时候,老师也曾经带我们用这样的风洞做了一次小小的超音速试验。

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▲小型风洞

风洞再升级:爆炸的艺术

但是即便是用上了压力罐,风洞的风速还是只能够在5倍音速以下徘徊,而真正的高超声速飞行器或者宇宙飞船再入大气都是以十数倍音速的速度飞行的,所以还要想新的办法,制造速度更高的风洞。

于是人们盯上了终极的艺术:爆炸。

我们知道,爆炸的时候由于能量的瞬间爆发,所以会产生巨大的压力,而这样的压力也可以用来产生高速气流。

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▲爆炸会产生剧烈的冲击波

根据爆炸的方式不同,产生的气流速度也不一样比如说下图这种通过氢气和氧气燃烧产生高速气流的装置可以产生2-5倍音速的气流。

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▲氢氧混合爆炸的容器罐

除此之外,还有一种通过巨大的电弧产生冲击波的方式。下图就是美国制造的以电弧冲击波为动力的高速风洞。最左边像塔一样的仪器是一台可以放出600000安培电流的超级大电容,在放电瞬间可以产生高达40公里每秒的气流。

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▲采用电弧冲击波的风洞

但是,这种利用爆炸吹出高速气流的风洞有一个非常大的缺陷:气流持续时间太短了,根本就不足够飞行器产生升力。

返璞归真:风不过来,我就过去

绕了一圈,人们还是回到了利用高压气体产生高速气流的方式,但是这个时候,人们想到了一种可以变相加快气流的方式:风不过来,我就过去,用很高的相对速度来获得高风速。

简单说,虽然气流速度不高,但是我如果迎着气流让被测试的物体也运动起来,不就可以获得极高的风速了吗?所以我们再见到风洞的时候,不再是短小精悍,而是非常非常长,为的就是可以从两边分别把高速气流和高速物体打出来,让他们相对而行,获得极高的相对速度。

40倍音速的风是怎么吹出来的?高超音速风洞了解一下

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▲位于美国埃姆斯市的高超音速风洞

以上图的风洞为例,风速大概是4公里每秒,而物体被打出来的速度则可以高达9公里每秒,所以两者相对而行可以获得13公里每秒的相对运动速度——从而达到了40倍音速的研究能力。

总结一下

从亚音速风洞、跨音速风洞、超音速风洞到高超音速风洞,为了实现对高超音速飞行器的仿真,科学家们可以说是操碎了心。每一步的进步都是非常不容易的。

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▲风洞中正在做试验的仪器

从一开始用电风扇吹风,到后来使用高压气体,再到后面用爆炸,各种方法都被运用到了吹风这件事情上。

当然了,高超音速风洞的建设远远不止“吹风”这一件事情要解决,加热、测量、机械强度这些问题都是重点,可以说是困难重重,所以无怪乎全世界也就少数几个国家能够掌握这项技术,而其中就有我们中国。

多少中国科学家为之努力才有今天的“东风-17”和“空天飞机”,实在是不容易!

原文始发于微信公众号(世界先进制造技术论坛):40倍音速的风是怎么吹出来的?高超音速风洞了解一下

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