[科普中國(guó)]-熱射風(fēng)洞

簡(jiǎn)介

電弧風(fēng)洞和放電式風(fēng)洞都是利用電弧放電所釋放的能量對(duì)駐室氣體進(jìn)行加熱的熱射風(fēng)洞，是一種高焓高超聲速風(fēng)洞。電弧風(fēng)洞是在較低的電壓下連續(xù)放電，電弧停留時(shí)間比較長(zhǎng)，單位時(shí)間釋放的能量比較少。放電式風(fēng)洞是在更高的電壓下瞬間放電，單位時(shí)間釋放的能量要此電弧風(fēng)洞大得多，但風(fēng)洞的t作時(shí)間比較短。

與常規(guī)高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞不同，熱沖（熱射）風(fēng)洞的試驗(yàn)氣流是準(zhǔn)定常流動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)間為20~ 200ms；試驗(yàn)過(guò)程中弧室氣體壓力和溫度取決于試驗(yàn)條件和時(shí)間，與高超聲速風(fēng)洞和激波風(fēng)洞相比要低10%—50%。熱沖風(fēng)洞如圖1所示。所以要瞬時(shí)、同步地測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)段的氣流參量和模型上的氣動(dòng)力特性，并采用一套專門的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。熱沖風(fēng)洞的研制開始于20世紀(jì)50年代初，落后于激波風(fēng)洞。原來(lái)是要利用火花放電得到一個(gè)高性能的激波管驅(qū)動(dòng)段，后來(lái)就演變成熱沖風(fēng)洞?！盁釠_”這個(gè)詞是R.W.佩里于1958年提出來(lái)的。1

電弧風(fēng)洞電弧風(fēng)洞運(yùn)行前需要儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存電能，弧室充人一定壓力的氣體，膜片下游各部位被抽吸到近真空狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)存的電能以千分之一毫秒到幾十毫秒的時(shí)間在弧室內(nèi)通過(guò)電弧放電釋放，以加熱和壓縮氣體。當(dāng)弧室中壓力升高到某個(gè)預(yù)定值時(shí)，膜片被沖破，氣體經(jīng)過(guò)噴管膨脹加速，在試驗(yàn)段中形成高超聲速氣流，然后通過(guò)擴(kuò)壓器排入真空箱內(nèi)。1

放電式風(fēng)洞放電式風(fēng)洞的部件組成與電弧風(fēng)洞類似，電弧放電能在短時(shí)問(wèn)內(nèi)釋放出大量能量，因而氣流溫度可以達(dá)到很高。例如，1個(gè)大氣壓空氣中的焊接電弧，弧心處的氣體溫度可達(dá)6500K左右，相當(dāng)于飛行器在同溫層以Ma=12飛行時(shí)的駐點(diǎn)溫度。放電式風(fēng)洞在啟動(dòng)前，先把空氣或其他氣體壓人高壓駐室內(nèi)，高壓駐室與噴管之間用薄膜隔開。預(yù)儲(chǔ)在電容器中的大量電能，通過(guò)駐室內(nèi)的電極放電。放電所釋放的巨大能量，將駐室內(nèi)的空氣加熱到很高的溫度，同時(shí)壓力也大大提高。此時(shí)薄膜破裂，高壓高溫氣體進(jìn)入噴管而膨脹，在試驗(yàn)段就得到具有很高馬赫數(shù)和很高溫度的流動(dòng)。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芫S持的時(shí)間在50ms左右，密度及雷諾數(shù)都能達(dá)到較高的值。1

關(guān)鍵技術(shù)熱射風(fēng)洞的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是將材料燒損和氣體污染減少到可接受的程度。采取的措施有：以氮?dú)獯婵諝庾鳛樵囼?yàn)氣體，減小暴露在熱氣體中的弧室絕緣面積，合理設(shè)計(jì)材料燒損生成微粒的電極和喉道擋板結(jié)構(gòu)，適當(dāng)選取引弧用的熔斷絲，限制風(fēng)洞在弧室氣體溫度低于4000K下運(yùn)行等。熱射風(fēng)洞的儲(chǔ)能裝置有電容和電感兩種方式。前者常用于儲(chǔ)存10MJ以下的能量，后者多用于儲(chǔ)存5MJ~100MJ的能量。還有一種方式是電網(wǎng)直接供電，其能量一般為10MJ量級(jí)，不同的電能利用方式要求有相應(yīng)的充電放電系統(tǒng)。熱射風(fēng)洞的模擬范圍一般可以達(dá)到馬赫數(shù)8~ 22，每米雷諾數(shù)(0.1~200)×106。長(zhǎng)達(dá)上百毫秒的試驗(yàn)時(shí)間，不僅使它一次運(yùn)行能夠完成模型的全部迎角的靜態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行風(fēng)洞的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，測(cè)量動(dòng)穩(wěn)定性，以及采用空氣作試驗(yàn)氣體（溫度一般在3000K 以下）進(jìn)行高超聲速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。1