航空航天領域研究的基礎設施：風洞

（來源：中國航空報）

　　Lilium Jet eVTOL概念飛行器在DNW的馬克內塞測試基地進行了分佈式推進測試。

莫達訥-阿夫里厄中心擁有6個風洞測試設施。

　　一名研究人員在S3MA風洞中進行測試前準備一個模型，該風洞可以模擬從馬赫數0.1~6.05的速度。

　　賽峰集團和GE航空航天公司RISE 開式風扇發動機概念的測試在ONERA莫達訥的S1MA風洞上進行。

　　彈道、氣動光學和材料（BAM）靶場可使用高能激光進行高超聲速測試和定向能實驗。

　　ONERA的S2MA風洞配備了用於測試武器分離的軌跡捕獲攝影系統。

波音跨聲速風洞內的模型，其安裝選項包括尾翼支架、板式或地板安裝選項。　　隨着航空製造業越來越重視空氣動力學以求提高燃油效率和性能，風洞測試的需求也日益增長。國際上更嚴格的法規也推動了風洞測試的需求，因為航空製造企業需要進行測試以確保合規，而學術及研究機構也越來越多地使用風洞測試進行實驗研究。　　即使計算流體力學（CFD）等仿真技術興起，物理驗證的需求依然存在。儘管CFD模型是飛行器設計的關鍵工具，但即便是最好的CFD模型也可能無法捕捉到某些關鍵特徵。此外，物理測試通常比CFD更具成本效益。　　許多風洞測試的性質可能已經發生了變化，但測試數量並未減少，而且隨着新型電動飛行器和無人駕駛飛行器的開發，測試量似乎還會增加。這些飛行器的氣動外形通常與傳統的管狀機身飛機不同，需要進行更多的測試以確保安全性並優化其設計。　　測試新型的eVTOL和分佈式推進等顛覆性概念將使風洞變得不可或缺，因為這些新概念的計算流體力學不像傳統的翼身結構飛機擁有大量數據，這些新構型飛行器並沒有過往數據，這意味着仍需要在風洞中進行實驗驗證。波音跨聲速風洞　　位於美國西雅圖的波音跨聲速風洞（BTWT）是波音公司眾多風洞之一，支持其幾乎所有產品的測試——從商用客機到固定翼防禦平臺和武器系統。最近，作為波音777-9構型開發的一部分，跨聲速風洞進行了多輪高速測試。除其他用途外，測試數據還用於驗證CFD模型預測。　　波音跨聲速風洞負責人表示，該跨聲速風洞每年可進行3至10次測試。測試持續時間因產品和測試目標而異。有些測試僅持續兩到三周，而有些則可能持續三到四個月。　　BTWT建於1944年，是一條單回程閉路風洞，擁有8英尺×12英尺（2.4米×3.7米）的測試段，並經過多次更新和現代化改造，以改善氣流質量、温濕度控制以及風洞效率。目前，它可在馬赫數1.1的跨聲速下運行。　　該風洞提供多種模型安裝選項，包括尾桁支架以及平板或地板安裝選項。尾桁支架上的模型可進行標準或大迎角研究。俯仰和偏航組合可以通過尾桁后掠支柱和內部偏航頭或滾轉—俯仰組合來實現。對於需要高精度巡航性能測量的測試，通常使用板式安裝。半模型則採用地板安裝，並可選擇使用分隔板將模型與地板隔開。　　位於試驗段地板下方的高精度六分量主天平可用於平板安裝和地板安裝的模型，另有多種內部天平可用於尾翼/后掠支柱安裝的模型。　　輔助氣源流量為20磅/秒（9.1千克/秒），壓力為1000psi（6.9兆帕），可用於吹掃發動機艙或動力模型。所有這些風洞功能目前都得到良好的維護，並隨時準備支持客户各種需求，未來飛機技術的發展可能會推動對風洞進一步改進的需求。　　模型運動控制支撐系統最近進行了改進，加入了模型滾轉機構。該機構能夠進行雙滾翼水平模型俯仰控制以及氣動彈道/滾轉極座標控制，軍用飛機和武器系統項目經常需要這些功能來評估氣動性能。　　BTWT的大部分用户是波音公司的內部項目，但也為外部客户進行測試，例如，公務機制造商或其他軍事防禦系統。DNW的馬克內塞測試基地　　位於荷蘭的德荷風洞機構（DNW）馬克內塞測試基地專門研究低速狀態下的起飛和着陸配置。DNW的三個低速風洞中有兩個位於馬克內塞，分別是低速風洞和大型低速設施（LLF）。　　主要客户是大型飛機和發動機製造商，但測試範圍涵蓋從民用、軍用到航天器等各種類型。由於所有飛行器都需要起飛和降落，因此各種飛機概念都在這里進行測試，從常規飛機到eVTOL、分佈式推進和多旋翼概念。去年，該設施參與了Lilium Jet概念飛行器的測試。Lilium Jet是一款採用分佈式推進系統並搭載30台發動機的電動垂直起降飛機，該機具有一個高度複雜的外形，需要進行比例推進模擬，因此需要使用同樣複雜的測量技術。　　除了標準的穩定性和控制測量外，DNW低速風洞和大型低速設施還使用跑道模擬器進行地面效應測試。該模擬器包含一條與氣流同速移動的滾動帶，可以精確模擬模型下方的相對風速，這對於真實的地面效應分析至關重要。　　這里還進行近場和遠場噪聲的氣動聲學測量，低速風洞和大型低速設施還可以選擇開放式噴氣配置，無須風洞壁即可測量聲學特性，從而防止噪聲反射。測試時間取決於測試性質，但可能從幾天到四五個月不等。近年來，該風洞設施平均每年運行7~10個項目。ONERA莫達訥-阿夫里厄中心　　法國國家航空航天研究中心（ONERA）的莫達訥-阿夫里厄中心位於法國阿爾卑斯山脈，擁有6個測試設施，能夠模擬直至高超聲速的所有飛行速度。其中包括世界上最大的聲速風洞——Soufflerie 1 Modane Avrieux（S1MA）。　　S1MA的功率高達88兆瓦，可在直徑8米的測試段內產生馬赫數0.05~1的風速。它是ONERA支持以脱碳為重點的推進系統和集成策略開發的兩大測試中心之一。這得益於其能夠測試商用飛機從低速到巡航速度的全速度範圍，並能夠容納大型模型。　　莫達訥-阿夫里厄也是S2MA試驗場的所在地，該試驗場可以測試戰鬥機的完整飛行域，實現從亞聲速到超聲速（最高可達馬赫數3）的無縫過渡，並且對於快速評估各種飛行器更高效的氣動外形至關重要。在軍事領域，S2MA的主要優勢在於能夠藉助S1MA和S2MA的彈道捕獲攝影系統評估武器分離。　　S3MA和S4A風洞專注於導彈、彈藥和航天發展，並擁有兩個支撐平臺，分別為S4B和BD2。　　ONERA正在改進其測試技術，以便為客户提供更相關的數據。這包括將粒子圖像測速技術集成到S1MA等大型設施中，並開發旋轉或高温區域的非穩態壓力測量技術。　　該場址的基礎設施最近進行了重大升級，包括更換S1MA的風扇葉片、更換28噸的水輪機，以及開發聲學功能，以便進行空氣動力學和聲學綜合測量。　　S1MA的設施已有70多年的歷史，但其高質量的基礎設施使其能夠勝任現代測試，公認的氣流質量，加上最近的升級，令S1MA具備馬赫數調節功能，持續提升了其性能。最近的測試包括賽峰集團的開放式風扇項目，未來十年，莫達訥-阿夫里厄的風洞將支持從法國航空復興計劃到重大國際軍事計劃等關鍵項目的開發。風洞的補充設施——彈道、氣動光學和材料靶場　　彈道靶場和高超聲速風洞長期以來一直是互補設施，風洞通常用於測試較大或高度不對稱的測試件。然而，得克薩斯農工大學布什作戰發展中心的研究工程師傑克·夏因博士表示，高超聲速風洞始終存在至少一個主要缺點：它們會產生冷流或「噪聲」氣流。　　「冷流設施會以犧牲自由流温度為代價，將測試氣體膨脹並加速至高超聲速馬赫數，這限制了熱負荷實驗的適用性。」夏因解釋説，「像得克薩斯農工大學的超高速膨脹風洞這樣的設施會對測試氣體進行衝擊加熱，以產生與飛行軌跡相符的自由流温度，但這些衝擊驅動設施仍然會引入壓力波動。」　　另一方面，得克薩斯農工大學的馬赫數6靜默風洞能夠產生類似地球大氣中的自由流壓力波動，但這隻能通過收斂—發散式噴管來實現，從而產生冷流。彈道、氣動光學和材料（BAM）靶場是位於得克薩斯州布萊恩的一座先進的研究設施，位於得克薩斯農工大學雷利斯校區。該靶場旨在通過測試材料和系統在高速和極端條件下的性能，使其能夠在長500米（1640英尺）、直徑2.4米（7.9英尺）的連續靶場內，使用高能激光進行高超聲速測試和定向能實驗。　　它的兩級輕氣炮可以以大約馬赫數10的速度發射直徑4英寸（101毫米）的射彈，並在炮管和靶場儲罐內　　使用各種高速傳感器來監控和控制測試操作。　　「撞擊試驗的關鍵檢測手段包括X射線和高速視頻，」夏因解釋説，「在高超聲速彈道試驗中，我們使用陰影照相和紋影成像來可視化密度梯度波動，並使用精心校準的紅外攝像機捕捉彈丸温度圖。在定向能試驗中，我們使用多個光電探測器拾取站來評估近場和遠場湍流引起的功率和光束偏差。」　　目前，該靶場正在與美國國家航空航天局合作，開發用於地面測試應用的新型檢測方法，並與多家行業合作伙伴洽談商業和民用應用。該靶場最初設想是一個1千米長（3281英尺）的設施，目前正按照「二期」規劃繼續努力，以實現這一目標。 （航柯）