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高超声速激波风洞理论和方法:铺就星空之路的基石

Science China Press

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IMAGE: 激波反射型正向爆轰驱动器结构示意图及其驱动性能实验曲线 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

浩瀚宇宙将是人类一个更广阔的活动空间,跨越地球大气层的高超声速空天飞行技术将是新世纪宇航领域的巨大挑战。虽然经过60年的不懈努力,高效、快捷、低成本的空天飞行技术依然还在探索阶段。出现这种困境的主要原因之一是缺乏能够模拟高温热化学反应流动的风洞试验技术,导致高超声速关键技术验证过度依赖昂贵、耗时、低效的飞行试验。

高超声速风洞实验模拟存在四个难点:(1)化学反应机制模拟不能使用替代实验气体;(2)化学反应进程复现必须模拟气流温度以确保反应过程的正常触发;(3)不可缩尺的热化学反应过程要求产生足够大的试验流场满足大模型实验需求。(4)需要适当长的实验时间确保流场稳定以解决超声速燃烧和气动力的实验测量。同时满足上述四个需求的高超声速风洞理论与技术一直是世界难题。最近,来自中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室的激波研究团队(姜宗林研究员、李进平高级工程师、胡宗民副研究员,刘云峰高级工程师、俞鸿儒院士)取得了突破性进展,在《国家科学评论》(National Science Review, NSR) 发表研究论文“On Theory and Methods for Advanced Detonation-driven Hypervelocity Shock Tunnels”。他们提出了先进爆轰驱动超高速风洞的理论与方法,为研制能够覆盖空天飞行器全包线的超大型高超声速风洞奠定了基础。

激波研究团队针对先进空天飞行研发对高超声速风洞实验研究的四大需求,分析了国际主流高焓激波风洞技术的局限性,建立了系统的爆轰驱动高超声速风洞理论。进一步提出激波反射型正向爆轰驱动方法(Concept of Forward Detonation Cavity Driver),借助爆轰波反射产生的上行激波,实现了爆轰波形的剪裁和重构,解决了稀疏波导致入射激波严重衰减的学科难题,驱动能力比反向爆轰驱动模式提高了5倍。正向爆轰驱动器成功应用于JF-10 爆轰驱动高焓激波风洞,获得总温高达7000K的实验气流,其结构示意图和驱动性能曲线如图所示。激波研究团队还发展了正向爆轰驱动激波风洞界面匹配条件,通过可燃混合气组分的调制,实现了试验气体与爆轰产物的声阻抗匹配,解决了入射激波通过气体界面时的多次反射问题。界面匹配条件成功应用于JF-12复现风洞,获得的试验时间长达100ms,比同类风洞提高数十倍。

激波研究团队创立的高超声速风洞理论与技术获得了国家自然科学基金委“国家重大科研仪器研制项目”的资助,正在研制一座超大型正向爆轰驱动超高速激波风洞,能够覆盖马赫数10-25、高度35-90km的飞行包线,将为空天飞行技术验证提供实验手段,成为铺就跨越大气层星空之路的重要基石。

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文章信息: On Theory and Methods for Advanced Detonation-driven Hypervelocity Shock Tunnels Zonglin Jiang, Jinping Li, Zongmin Hu, Yunfeng Liu, Hongru Yu https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa050

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