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航空工业气动院李周复:努力建设世界一流风洞

2020-06-04 15:39:34 中国航空新闻网 中国航空研究院

 

航空航天飞行器的发展历史表明,空气动力学作为航空航天流域的前沿基础技术,始终是飞行器发展的先行学科。空气动力学新概念、新理论、新技术的突破和发展,直接推动着航空航天飞行器的更新换代。世界航空航天技术发达国家之所以长期处于领先地位,重要原因之一就是其不断推动空气动力技术的创新发展,从根本上说还是得益于长期持续不断的气动力基础研究以及支撑基础研究的强大风洞试验能力。

“十一五”以来,中国航空工业空气动力研究院始终以航空发展需求为导向,以气动力技术创新为手段,以能力提升为目标,抓住航空领域快速发展的机遇,建成了一批世界一流的新风洞,发展了一批世界先进水平的新风洞试验技术,为更好地贯彻落实集团公司“一心、两融、三力、五化”新时代发展战略,加快打造领先创新力,推进航空研究院成为“集团公司自主创新的大本营、航空尖端科技发展的引领者”,促进新时期航空工业的创新发展,进一步夯实了能力基础。

二、以航空发展需求为导向,把握风洞试验技术发展趋势

纵观航空发展的历史,“一代技术,一代产品”在航空航天领域体现得淋漓尽致。气动力升力理论的发明奠定了低速飞机气动力设计的基础,蜂腰理论的提出突破了飞机的超声速飞行,脱体涡流型的应用促进了高机动战斗机的产生,超临界机翼的诞生实现了飞机的低阻力高效率飞行。可以预期,未来空气动力学与诸多学科的交叉、融合发展,一定会促进新一代高水平飞机的出现,正如低噪声设计技术的成熟使得现代飞机的飞行更加环保,防除冰技术的发展使得飞机飞行更加安全。作为气动力研究三大手段之一的风洞试验,与计算流体动力学(CFD)与飞行试验相辅相成发展,到目前为止仍然是获取飞行器设计数据的最主要手段。作为气动力研究手段之一的风洞设备,不仅是航空工业发展的基础,大型关键的风洞设备更被普遍认为是国家的战略性资源,必须超前建设、超前发展。

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2米声学风洞

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结冰团队开展发动机结冰试验

进入新世纪,气动院以航空工业发展需求为导向,积极研究新技术,把准风洞试验技术发展趋势。例如,为了解决新一代大型飞机研制的雷诺数效应问题,建成了国内唯一的低速增压风洞,从根本上解决了以往飞机型号研制不具备低速高雷诺数试验能力的风洞设备瓶颈问题,结束了我国军民机研制不得不去国外进行低速高雷诺数风洞试验的历史;为了解决非定常气动力技术问题,建成了新一代高水平的4米量级低速风洞,并发展了大迎角连续测力、动导数、旋转天平、飞机起飞着陆历程模拟、虚拟飞行、典型机动历程模拟等多种非定常动态试验技术,实现了动态试验能力高度集成;为了满足新一代飞机研制的高质量数据要求,建设了国内第一座8米回流式低速风洞和2.4米连续式跨声速风洞;为了发展低噪声技术,新建了2米量级研究型声学风洞以及8米低速风洞的噪声试验能力;为了发展防除冰技术,建成了0.6米跨声速连续式低温风洞等一批新的风洞设备。

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C919飞机进行低速高雷诺数试验

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2.4米连续式跨声速风洞

 

三、以技术创新为手段,建设一流风洞设备

为了把上述新风洞建设好,在风洞的方案设计阶段就确定了追求达到国际一流水平的建设目标。在风洞建设过程中,气动院注重发挥已有技术,积极借鉴同行先进经验,特别注重新技术的开发应用与集成创新。

在风洞气动设计方面,采用先进的气动理论与工程设计方法,对风洞的洞体回路、动力系统以及风洞结构等进行迭代优化设计,确保了风洞流场品质的高质量;在风洞钢结构设计方面,采用分析设计的方法,解决了特大型、非常规截面回路、动态承压钢质洞体的结构刚强度、振动和疲劳寿命等问题;在风洞测量控制设计方面,采用变频控制技术,解决了大功率、风速调节范围宽、风扇转速控制精度高以及轴系统振动等问题;在风洞天平设计方面,采用自补偿回零式体轴系天平校准方法,解决了大载荷(10吨)、多功能、静态多元校准等技术问题,天平校准台达到国际先进水平;在风洞试验设备设计方面,采用移动驻室和架车以及气浮移动等方式,解决了风洞大型试验设备的快速更换问题;在风洞降噪设计方面,声学风洞采用低噪高效风扇,对风洞动力段前后以及拐角段进行特殊的吸声设计,有效解决了噪声控制问题;在8米低速风洞洞体结构设计方面,采用预制板洞壁装配成型工艺,回流道壳体内表面质量精良,实现了平面度误差小于1/1000的技术要求。

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8米低速风洞照片

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8米低速风洞消声室

气动院近年来新建的2米低速声学风洞、4米低速动态风洞、8米回流式低速风洞,0.6米连续式跨声速风洞、1.2米亚高超风洞等的流场品质、风洞试验准精度均实现了达到世界一流水平的建设目标。

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4米低速动态风洞

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0.6米连续式跨声速风洞

 

四、以技术能力提升为目标,推动航空气动力创新发展

“十二五”以来,随着新风洞设备建设的快速发展,航空气动院的风洞试验能力也得到了显著提升,实现了向高雷诺数、气动热、气动噪声、防除冰等领域的拓展。新发展配套的风洞试验技术,如:涡轮空气马达驱动的螺旋桨滑流试验技术,翼型、起落架、螺旋桨、涵道尾桨、旋翼气动噪声测量技术,动导数、大幅振荡、旋转天平、典型机动历程模拟、旋转流场下大幅震荡试验技术,高低速风洞连续变攻角测量技术,风洞结冰试验技术,PIV、PSP稳态与动态测量技术,颤振、阵风、抖振气动弹性试验技术等实现了质的飞越,在满足飞行器研制风洞试验需要的同时,空气动力技术研究的水平实现了新的跨越,推动了航空气动力技术的创新发展。

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螺旋桨滑流试验技术

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流动显示试验技术

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机动历程模拟试验技术

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动导数试验技术

五、结束语

只有具备一流的航空气动力技术,发挥好飞行器设计“先行官”作用,才能打造出一流的航空飞行器产品。我们建设高水平的风洞本身不是目的,用好风洞、深入开展“战略性、整体性、前瞻性、基础性、共用性”技术研究,不断推动气动力技术的创新发展才是根本。

为贯彻落实好集团公司“一心、两融、三力、五化”新时代发展战略,坚定“航空报国”初心,笃行“航空强国”使命,促进航空研究院成为“集团公司自主创新的大本营、航空尖端科技发展的引领者”的战略要求,气动院还必须积极对标世界领先水平,加快推进气动力领先创新力的打造,不断提高国际国内气动力技术的影响力。首先,要做到低成本、高效率、高质量地用好现有风洞,充分发挥其在型号研制风洞试验与气动力技术创新发展中的基础作用。其次,要把在建风洞高水平、高质量建设好,向世界领先水平奋勇拼搏。第三,要紧紧抓住重大发展机遇,规划论证好未来的能力建设项目,实现气动力技术的体系化发展,更好满足航空工业未来发展的需求,为航空强国建设提供强大的气动力技术创新能力支撑。   

责任编辑:实习生 马丽