高焓激波风洞研究进展

国际上已发展的高焓激波风洞按驱动方式不同可以分为3种：加热轻气体驱动,自由活塞驱动,和爆轰驱动激波风洞。对不同类型激波风洞的发展历程进行了回顾，对其存在的,以及进一步发展过程中潜在的问题进行了探讨。\newline (1)加热轻气体驱动激波风洞\newline 加热轻气体驱动方式主要采用高比热比的轻气体，再利用加热手段进一步提高气体声速。国际上应用加热轻气体驱动的有NASACalspan-UB研究中心的LENS系列激波风洞和俄罗斯TSNIIMASH中心机械工程研究院的U-12大型激波风洞。LENS系列激波风洞的性能基本覆盖了航天飞机的飞行走廊，Calspan-UB研究中心在LENS风洞上开展了大量的超高速流动研究。\newline (2) 自由活塞驱动激波风洞\newline 自由活塞驱动激波风洞是利用高速运动的自由活塞压缩产生高压驱动气体。主要有澳大利亚国立大学T3, 昆士兰大学T4,日本国家航天实验中心的KEK和HIEST，美国加州理工学院T5,德国DLR的HEG。其中，日本的HIEST以其尺寸最大, 技术成熟,实验时间长而具有代表性。\newline (3) 爆轰驱动激波风洞\newline 爆轰驱动是应用可燃混合气体爆轰产生的化学能来压缩驱动气体的一种驱动方式。爆轰驱动有3种模式：反向驱动,正向驱动和双爆轰驱动。反向驱动在主膜处起爆，应用稀疏波后压力均匀的高压气体作为驱动气体，能够产生稳定的驻室状态，但驱动能力较低。正向驱动在驱动段上游末端起爆，驱动能力强，比反向驱动高一个量级，但受爆轰波后稀疏波的影响，气流品质不稳定。双爆轰驱动模式，通过辅驱动段，可以消除正向爆轰波后面的稀疏波，以获得平稳的试验气流。\newline 中国科学院力学研究所从20世纪60年代起就开展了爆轰驱动技术的系统研究，并于1996年研制成功了JF10爆轰驱动高焓激波风洞。JF10模拟总温高达8000K，总压高达800个大气压，有效试验时间超过6ms。为开展高超声速气动力/热,真实气体效应, 气动物理等问题的研究创造了基本条件。\newline (4)问题与展望\newline 轻气体驱动能够产生稳定的试验气流，运行技术可靠，重复性好，但是大量轻气体的运输,储存,加热与排放是风洞运行的主要困难。自由活塞驱动技术的驱动能力强，风洞尺度容易扩展，但是运行技术复杂，试验气流稳定时间短，是风洞发展的主要限制。爆轰驱动激波风洞近十几年来发展迅速，突破了一些重要的关键技术，产生高焓试验气流的能力强，提供的有效试验时间长，运行成本低，可扩展性好，是一种具有良好发展前途的高超声速激波风洞。\newline 到目前为止，尽管高超声速激波风洞的研制已经取得了重大进展，但是从地面模拟的流动要满足飞行条件所要求的自由来流马赫数, 自由来流雷诺数, 流动速度,飞行高度压力, 来流总焓, 跨过激波的密度比, 试验气体组分,壁温/总温比,化学反应进程等条件来看，还有很大差距。所以，为了获得可靠的试验数据，通过不断改进,完善,提高激波风洞的性能，尽可能"复现"高超声速飞行条件，是今后主要的研究方向。