航空航天领域研究的基础设施：风洞

（来源：中国航空报）

　　Lilium Jet eVTOL概念飞行器在DNW的马克内塞测试基地进行了分布式推进测试。

莫达讷-阿夫里厄中心拥有6个风洞测试设施。

　　一名研究人员在S3MA风洞中进行测试前准备一个模型，该风洞可以模拟从马赫数0.1~6.05的速度。

　　赛峰集团和GE航空航天公司RISE 开式风扇发动机概念的测试在ONERA莫达讷的S1MA风洞上进行。

　　弹道、气动光学和材料（BAM）靶场可使用高能激光进行高超声速测试和定向能实验。

　　ONERA的S2MA风洞配备了用于测试武器分离的轨迹捕获摄影系统。

波音跨声速风洞内的模型，其安装选项包括尾翼支架、板式或地板安装选项。　　随着航空制造业越来越重视空气动力学以求提高燃油效率和性能，风洞测试的需求也日益增长。国际上更严格的法规也推动了风洞测试的需求，因为航空制造企业需要进行测试以确保合规，而学术及研究机构也越来越多地使用风洞测试进行实验研究。　　即使计算流体力学（CFD）等仿真技术兴起，物理验证的需求依然存在。尽管CFD模型是飞行器设计的关键工具，但即便是最好的CFD模型也可能无法捕捉到某些关键特征。此外，物理测试通常比CFD更具成本效益。　　许多风洞测试的性质可能已经发生了变化，但测试数量并未减少，而且随着新型电动飞行器和无人驾驶飞行器的开发，测试量似乎还会增加。这些飞行器的气动外形通常与传统的管状机身飞机不同，需要进行更多的测试以确保安全性并优化其设计。　　测试新型的eVTOL和分布式推进等颠覆性概念将使风洞变得不可或缺，因为这些新概念的计算流体力学不像传统的翼身结构飞机拥有大量数据，这些新构型飞行器并没有过往数据，这意味着仍需要在风洞中进行实验验证。波音跨声速风洞　　位于美国西雅图的波音跨声速风洞（BTWT）是波音公司众多风洞之一，支持其几乎所有产品的测试——从商用客机到固定翼防御平台和武器系统。最近，作为波音777-9构型开发的一部分，跨声速风洞进行了多轮高速测试。除其他用途外，测试数据还用于验证CFD模型预测。　　波音跨声速风洞负责人表示，该跨声速风洞每年可进行3至10次测试。测试持续时间因产品和测试目标而异。有些测试仅持续两到三周，而有些则可能持续三到四个月。　　BTWT建于1944年，是一条单回程闭路风洞，拥有8英尺×12英尺（2.4米×3.7米）的测试段，并经过多次更新和现代化改造，以改善气流质量、温湿度控制以及风洞效率。目前，它可在马赫数1.1的跨声速下运行。　　该风洞提供多种模型安装选项，包括尾桁支架以及平板或地板安装选项。尾桁支架上的模型可进行标准或大迎角研究。俯仰和偏航组合可以通过尾桁后掠支柱和内部偏航头或滚转—俯仰组合来实现。对于需要高精度巡航性能测量的测试，通常使用板式安装。半模型则采用地板安装，并可选择使用分隔板将模型与地板隔开。　　位于试验段地板下方的高精度六分量主天平可用于平板安装和地板安装的模型，另有多种内部天平可用于尾翼/后掠支柱安装的模型。　　辅助气源流量为20磅/秒（9.1千克/秒），压力为1000psi（6.9兆帕），可用于吹扫发动机舱或动力模型。所有这些风洞功能目前都得到良好的维护，并随时准备支持客户各种需求，未来飞机技术的发展可能会推动对风洞进一步改进的需求。　　模型运动控制支撑系统最近进行了改进，加入了模型滚转机构。该机构能够进行双滚翼水平模型俯仰控制以及气动弹道/滚转极坐标控制，军用飞机和武器系统项目经常需要这些功能来评估气动性能。　　BTWT的大部分用户是波音公司的内部项目，但也为外部客户进行测试，例如，公务机制造商或其他军事防御系统。DNW的马克内塞测试基地　　位于荷兰的德荷风洞机构（DNW）马克内塞测试基地专门研究低速状态下的起飞和着陆配置。DNW的三个低速风洞中有两个位于马克内塞，分别是低速风洞和大型低速设施（LLF）。　　主要客户是大型飞机和发动机制造商，但测试范围涵盖从民用、军用到航天器等各种类型。由于所有飞行器都需要起飞和降落，因此各种飞机概念都在这里进行测试，从常规飞机到eVTOL、分布式推进和多旋翼概念。去年，该设施参与了Lilium Jet概念飞行器的测试。Lilium Jet是一款采用分布式推进系统并搭载30台发动机的电动垂直起降飞机，该机具有一个高度复杂的外形，需要进行比例推进模拟，因此需要使用同样复杂的测量技术。　　除了标准的稳定性和控制测量外，DNW低速风洞和大型低速设施还使用跑道模拟器进行地面效应测试。该模拟器包含一条与气流同速移动的滚动带，可以精确模拟模型下方的相对风速，这对于真实的地面效应分析至关重要。　　这里还进行近场和远场噪声的气动声学测量，低速风洞和大型低速设施还可以选择开放式喷气配置，无须风洞壁即可测量声学特性，从而防止噪声反射。测试时间取决于测试性质，但可能从几天到四五个月不等。近年来，该风洞设施平均每年运行7~10个项目。ONERA莫达讷-阿夫里厄中心　　法国国家航空航天研究中心（ONERA）的莫达讷-阿夫里厄中心位于法国阿尔卑斯山脉，拥有6个测试设施，能够模拟直至高超声速的所有飞行速度。其中包括世界上最大的声速风洞——Soufflerie 1 Modane Avrieux（S1MA）。　　S1MA的功率高达88兆瓦，可在直径8米的测试段内产生马赫数0.05~1的风速。它是ONERA支持以脱碳为重点的推进系统和集成策略开发的两大测试中心之一。这得益于其能够测试商用飞机从低速到巡航速度的全速度范围，并能够容纳大型模型。　　莫达讷-阿夫里厄也是S2MA试验场的所在地，该试验场可以测试战斗机的完整飞行域，实现从亚声速到超声速（最高可达马赫数3）的无缝过渡，并且对于快速评估各种飞行器更高效的气动外形至关重要。在军事领域，S2MA的主要优势在于能够借助S1MA和S2MA的弹道捕获摄影系统评估武器分离。　　S3MA和S4A风洞专注于导弹、弹药和航天发展，并拥有两个支撑平台，分别为S4B和BD2。　　ONERA正在改进其测试技术，以便为客户提供更相关的数据。这包括将粒子图像测速技术集成到S1MA等大型设施中，并开发旋转或高温区域的非稳态压力测量技术。　　该场址的基础设施最近进行了重大升级，包括更换S1MA的风扇叶片、更换28吨的水轮机，以及开发声学功能，以便进行空气动力学和声学综合测量。　　S1MA的设施已有70多年的历史，但其高质量的基础设施使其能够胜任现代测试，公认的气流质量，加上最近的升级，令S1MA具备马赫数调节功能，持续提升了其性能。最近的测试包括赛峰集团的开放式风扇项目，未来十年，莫达讷-阿夫里厄的风洞将支持从法国航空复兴计划到重大国际军事计划等关键项目的开发。风洞的补充设施——弹道、气动光学和材料靶场　　弹道靶场和高超声速风洞长期以来一直是互补设施，风洞通常用于测试较大或高度不对称的测试件。然而，得克萨斯农工大学布什作战发展中心的研究工程师杰克·夏因博士表示，高超声速风洞始终存在至少一个主要缺点：它们会产生冷流或“噪声”气流。　　“冷流设施会以牺牲自由流温度为代价，将测试气体膨胀并加速至高超声速马赫数，这限制了热负荷实验的适用性。”夏因解释说，“像得克萨斯农工大学的超高速膨胀风洞这样的设施会对测试气体进行冲击加热，以产生与飞行轨迹相符的自由流温度，但这些冲击驱动设施仍然会引入压力波动。”　　另一方面，得克萨斯农工大学的马赫数6静默风洞能够产生类似地球大气中的自由流压力波动，但这只能通过收敛—发散式喷管来实现，从而产生冷流。弹道、气动光学和材料（BAM）靶场是位于得克萨斯州布莱恩的一座先进的研究设施，位于得克萨斯农工大学雷利斯校区。该靶场旨在通过测试材料和系统在高速和极端条件下的性能，使其能够在长500米（1640英尺）、直径2.4米（7.9英尺）的连续靶场内，使用高能激光进行高超声速测试和定向能实验。　　它的两级轻气炮可以以大约马赫数10的速度发射直径4英寸（101毫米）的射弹，并在炮管和靶场储罐内　　使用各种高速传感器来监控和控制测试操作。　　“撞击试验的关键检测手段包括X射线和高速视频，”夏因解释说，“在高超声速弹道试验中，我们使用阴影照相和纹影成像来可视化密度梯度波动，并使用精心校准的红外摄像机捕捉弹丸温度图。在定向能试验中，我们使用多个光电探测器拾取站来评估近场和远场湍流引起的功率和光束偏差。”　　目前，该靶场正在与美国国家航空航天局合作，开发用于地面测试应用的新型检测方法，并与多家行业合作伙伴洽谈商业和民用应用。该靶场最初设想是一个1千米长（3281英尺）的设施，目前正按照“二期”规划继续努力，以实现这一目标。 （航柯）