遠去的風雷:新中國早期風洞(一)低速風洞

我國現有低速風洞(含工業風洞)約50座,跨超聲速風洞30餘座。所有用于飛行器研製的生產性低速和跨超聲速風洞都是在新中國成立之後建設的。20世紀50年代末至60年代初,出現了第一個3米量級低速風洞和0.6米量級跨超聲速風洞建設高潮。此期間建設的低速風洞按建成的先後順序有北京大學的直徑2.25米低速風洞;中航工業空氣動力研究院(原哈爾濱空氣動力所)的3.5米*2.5米低速風洞(FL-8),北京空氣動力所的3米*3米低速風洞(FD-09)。以下將逐一簡單介紹這三個低速風洞。

功勛風洞FL-8

FL-8是單迴流式閉口低速風洞。原計劃是為哈軍工東風113殲擊機做試驗的。從1958年至1963年分階段建成,1965年投入運行,是我國最早投入型號試驗的3米量級低速風洞。30多年來,完成了各種型號試驗15萬次以上,為我國航空試驗做出了重大貢獻。例如殲八設計期間的縱向穩定性試驗就是1966年在這個風洞吹的,當時根據風洞試驗數據,確定了殲八重心的後限是36%。

1995年FL-8進行了第一期改造,風洞的試驗能力和流場品質有了進一步提高。該風洞以特種試驗見長:飛機發動機進、排氣動力模擬試驗,動導數測量試驗,旋轉天平試驗等特種試驗項目。彩色圖像顯示、激光片光等空間流場測量技術為飛行器研製增添了重要試驗手段。風洞試驗段尺寸為3.5米*2.5米,長5.5米。整個風洞迴路除試驗段和動力段外,其餘為鋼筋混凝土結構。洞體長44.8米,最大寬度17.3米,風洞由試驗段、擴散段、迴流段、穩定段、收縮段及動力段等組成。蜂窩器斜置端面與風洞軸線成45o,其格柵尺寸為對邊距80毫米的正六邊形,長為300毫米。第一層阻尼網在接近穩定段出口處,第二層網距第一層350毫米,第一層阻尼網為10目/in2,不鏽鋼絲直徑0.71毫米;第二層為20目/in2,鋼絲直徑0.23毫米。

1995年FL-8完成了第一期改造,內容主要有:

  1. 將原來的450千瓦電機更換為1000千瓦電機,更換了新的玻璃鋼風扇和整流體,並加固了電機基礎,使最大風速提高到73米/秒;增加一台11千瓦離心式風機,對風扇電機強迫風冷。
  2. 在穩定段內重新安裝了蜂窩器和兩層阻尼網,改善了風洞流場品質。
  3. 測量與控制系統改造:將過去的分散式控制改為集中控制,將過去的低精度採集改為高精度採集。風速控制系統、模型姿態角控制系統及各種動態試驗控制系統的運行全部由控制工作站實現集中控制。數據採集系統由高品質的16位模數轉換器和高精度的數據調理模塊組成,提高了採集精度,使測力試驗精度大部分達到了國軍標先進指標。1983年,配置了TSI公司的熱線風速儀和激光測速儀;1987年,配置了780B電子掃描閥和Volkman電子驅動公司的螺旋槳滑流試驗的配套設備。

主要性能;

試驗段尺寸:3.5米(寬)*2.5米(高)*5.5米(長)

最大風速73米/秒

最大試驗雷諾數:1.3*106

風洞功率:1000千瓦

能量比:2.0

駐點壓力;1*105帕

動壓:3063帕

運行狀態:2班/天,必要時24小時連續運行

風洞備有塔式機械六分量天平和系列應變天平用於測力試驗;腹撐、尾撐和張線式模型支撐系統;壓力感測器及電子掃描閥用於測壓試驗;螺旋槳滑流和渦噴、渦扇發動機進、排氣模擬的試驗裝置;五自由度動導數測量裝置;旋轉天平和錐形運動試驗裝置;TSI-9100激光測速儀等。

風洞可承擔的主要試驗項目有:全機、部件的氣動力特性試驗(測力、測壓、地面效應試驗);大迎角試驗;渦噴和渦扇發動機進、排氣模擬及螺旋槳滑流試驗;動導數測量試驗;尾旋特性試驗;吹氣襟翼試驗;抖振試驗;外掛物投放試驗;鉸鏈力矩試驗;推力矢量/噴流試驗;半模試驗;各類傘試驗;飛機彈射座椅救生裝置試驗。

FD-09風洞

FD-09是單迴流式閉口風洞。1960年8月開始設計,1964年開始建造,1966年6月建成並投入使用。

風洞試驗段長12米,界面為3米*3米圓化正方形,進口界面的圓角半徑為0.5米,上下壁全擴開交為0.4o。收縮段收縮比為10。第一、二擴散段的擴散角分別為5o和5.5o。為了冷卻,採用換氣裝置,在第一擴散段末端和第二擴散段分別設置了進氣口和出氣口。風扇直徑為5.5米,10片槳葉,電機功率為2060千瓦,額定轉速667轉/分。

主要參數:

試驗段尺寸:3米(寬)*3米(高)*12米(長)

最大風速:100米/秒

最大試驗雷諾數:1.9*106

風洞功率:2060千瓦

能量比:3.4(空風洞、試驗段零擴散角時為4.44)

駐點壓力;1*105帕

動壓:6000帕

運行狀態:2班/天,必要時24小時連續運行

風洞備有塔式機械六分量天平和系列應變天平用於測力試驗;備有壓力感測器及電子掃描閥用於測壓試驗;備有鋁質蜂窩結構地板,供地面效應試驗使用;備有20*106帕的高壓氣源,用於模型噴流試驗。

風洞可承擔的主要試驗項目有:飛行器常規測力、測壓、地面效應試驗;鉸鏈力矩試驗;半模試驗;動力模擬試驗;動導數測量;外掛物投放試驗;降落傘試驗;噴流試驗;大迎角俯仰振蕩試驗;機翼滾擺試驗;摺疊翼(舵)快速打開試驗;顫振試驗。

北大Φ2.25米風洞

該低速風洞於1958年建成投入使用,為單迴流式開口低速風洞。試驗段為開口、圓形、直徑2.25米,長3.65米。風洞功率300千瓦。

風洞外觀如圖:

風洞由試驗段、三個擴散段、動力段、迴流段、收縮段等組成。

收縮段總長9.2米,收縮比為12。收縮段前阻尼網後有等截面穩定段,收縮段出口有0.7米長的等直徑段。收縮段在室內部分長7.4米,其中5.2米長的部分為木質結構,其餘4米為鋼筋混凝土結構。收縮段出口處裝有12片消振片。

收縮段的大部分、試驗段及16.1米廠的第一擴散段在室內,室內部分總長27米,其中23.8米為木質結構,其餘在室外,為鋼筋混凝土結構,內表面是打光水磨石。第一擴散段入口有減振環和減振孔,擴散段形狀由園變為切角矩形。迴流中的四個拐角處有拐角導流片。第二擴散段其實是第一迴流道,截面由切角矩形變切角正方形。

動力段長10.75米,洞體經第二拐角後在動力段成了圓形。風扇直徑4米,12片葉片。木質整流罩,最大直徑2米,11片整流片。300千瓦直流電機至於整流罩內。動力段末尾為圓形變切角正方形。

動力段後至第三拐角間是第三擴散段。第三和第四拐角間是等截面的第二迴流道。在收縮段前的穩定段安裝有一層24目/in2的銅網。

1965-1975年間,該風洞借給瀋陽空氣動力所使用,配備了台式六分量機械天平、多管壓力計等設備,進行了大量飛行器的模型試驗。1975年5月,風洞交還北大管理。

從70年代末開始,風洞進行如下技術改造:

  1. 用可控硅整流裝置代替直流電機;
  2. 用應變天平代替機械天平。
  3. 用HP3054A數據採集和控制系統代替原由人工操縱的模型姿態角變化、風洞運行和數據採集等舊設備。
  4. 用接卸掃描閥代替多管壓力計。
  5. 用激光印表機回執試驗曲線。

主要參數:

試驗段尺寸:Φ2.25米*3.65米(長)

最大風速:50米/秒

最大試驗雷諾數:0.68*106

風洞功率:300千瓦

能量比:1.9-2.0

駐點壓力;1*105帕

動壓:1560帕

運行狀態:1班/天

風洞可承擔的主要試驗項目有:常規測力、測壓試驗;動導數試驗;鉸鏈力矩試驗;脈動壓力試驗;大迎角測力試驗;流態觀察試驗等。

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