实验室近年来的代表性成果

高焓气体流动与实验模拟技术研究

发布时间： 2011-01-01 来源：字体： [ 大中小 ]

一、高焓气体流动与实验模拟技术研究

研究类型	应用基础研究
完成单位署名排序	中国科学院力学研究所
本室参加的固定人员名单	俞鸿儒、姜宗林、赵伟、林建民、谷笳华、孙英英、刘云峰、王春、李进平、吴松等
是否保密	否

1、成果简介

空天科技领域空间飞行器的研制要求开展0～10km/s飞行速度，～100km飞行高度条件下的地面实验模拟研究。这个飞行空域可以划分为：临近空间高段（飞行速度6～10km/s、飞行高度60～100km），临近空间中段（飞行速度4～6km /s，飞行高度40～60km）和临近空间低段（飞行速度1.5～3km/s、飞行高度20～40km）。研制不同类型的高超声速风洞实现空间飞行器全速域飞行走廊的覆盖是开展空天飞行器研究的必要条件。实验室已经自主研发的氢氧爆轰驱动高焓激波风洞（JF10）能够模拟临近空间中段的飞行条件，是具有国际先进水平的高超声速试验装备。2007年中国力学学会50周年大会上，实验室的爆轰驱动激波风洞技术被评价为中国力学事业十年间的五项重大成就之一。

在这种研究积累的基础上，根据我国发展空间科技的重大战略需求，实验室五年来又成功地发展了两种激波风洞技术，解决了临近空间低段和临近空间高段飞行条件的实验模拟技术问题，覆盖了空天飞行器的飞行走廊，支撑了国家先进气动装备的研制。并应用JF10高焓激波风洞开展了系列的高焓气体流动实验，取得了一些基础性的创新研究成果，支撑了国家重要国防项目的研究需求。

2、主要成果和创新点

（1）爆轰驱动长实验时间激波风洞技术：为了解决临近空间低段的实验模拟技术问题，根据激波扩张后衰减的物理机制，俞鸿儒院士提出采用反向爆轰驱动技术，通过“小”爆轰管驱动“大”激波管的方法，实现入射激波扩张衰减，以获得适当强度入射激波的激波风洞设计思想。在解决了激波风洞运行最佳界面缝合条件，扰动波的弱化吸收，激波/边界层控制等关键技术后，建造了一座26米长的激波风洞。马赫数7飞行条件下，风洞性能实验获得了气流总温2600K、有效试验时间长达的实验结果，成功地验证了长实验时间激波风洞主要关键技术。14 ms

（2）爆轰驱动激波膨胀管技术：为了解决临近空间高段的实验模拟技术问题，取得更高总温和流速的实验气流，实验室提出应用正向爆轰驱动技术和激波非定常膨胀加速原理，提出了爆轰驱动激波膨胀管技术。实验室利用激波反射型FDC正向爆轰驱动器，增设了膨胀加速段和高真空系统，在解决了激波管和膨胀加速段的压力匹配问题后，成功地研制了18米长的爆轰驱动高焓激波膨胀管(JF16)。JF16性能实验研究结果表明：应用爆轰驱动激波膨胀管技术能够获得气流速度超过8500m /s、总焓高达35MJ/kg，实验时间长达50～100ms的超高速试验气流。这种激波风洞技术具有模拟马赫数20～30、总温7000～11000Ｋ的高温流动能力。

（3）高焓化学反应流动规律研究：应用高温气体流动实验平台，实验室开展了系列的高温气体流动规律实验。关于气动力研究，通过不同解离度气体在同样条件下的对比试验，获得了真实气体效应对飞行器俯仰力矩的影响规律，对飞行姿态控制能产生重要影响。关于气动热流的研究，通过飞行器表面催化对高温气体流动气动热影响的实验，揭示了飞行器的不同催化表面对气动热流的影响高达30％，这为先进气动热防护系统的设计提供重要依据。关于大气再入物理研究：获得了关于飞行器再入大气层光电特性的实验结果，为国防预研项目提供了重要数据。关于先进减阻防热技术的研究，提出了激波重构式无烧蚀减阻防热新技术。新技术使得飞行器头部的峰值压力降低66％、最大热流降低70％、并且在有攻角飞行时同样有效果。

3、成果应用情况

（1）应用爆轰驱动长实验时间激波风洞技术，实验室2008年承担了研制能够“复现”高超声速飞行条件激波风洞的国家重大创新装备的研制项目。该激波风洞长265m、喷管直径2.5m、流动速度1.5～3km/s，总温1000K～3000K。是目前国际上尺度最大、性能水平最高的高超声速激波风洞。风洞的研制成功，既能够解决国家中长期规划重大专项xxxx工程高端气动实验的瓶颈问题，由能为开展纯净空气超燃、大尺度飞行器模型、飞行器一体化、气动光学等基础性学科问题实验研究奠定基础。该激波风洞已经成功安装，目前已经进入了调试与运行阶段。

（2）由于激波重构式无烧蚀减阻防热新技术开拓了临近空间飞行器热防护系统研制的新思路，具有重要的工程应用价值。该项技术的进一步研究获得2009年基金委《近空间飞行器的关键基础科学问题》重大研究计划的重点基金支持。

4、重要引用或评价

（1）实验室研制成功的两种爆轰驱动激波风洞技术是激波风洞技术集成化研究的成果，使我国先进高焓流动模拟技术能够满足空间飞行器全速域的实验需求，支撑了国家高超声速先进气动装备的研制。相关成果并入选AIAA美国航天杂志2008年度综述报告，是唯一一项关于先进高超声速实验技术的研究成果。

（2）获得的飞行器再入大气层光电特性实验结果为国防预研项目提供了重要数据，扭转了我国战略弹头突防研究没有关键数据的困难局面，获得了十·五国防重大预研项目和国防973项目首席科学家的高度评价。

（3）激波重构式无烧蚀减阻防热新技术开拓了临近空间飞行器热防护系统研制的新思路，是由实验室首先提出的创新性成果，获得了两项国家发明专利授权

（4）相关研究成果应邀作三次国际会议特邀报告。2008年第六届明斯克国际传热与传质论坛(VI Minsk International Heat and Mass Transfer Forum, May 19-23, 2008)姜宗林研究员获得会议的杰出学术贡献奖。

5、成果清单：

序号	成果类型	成果名称	完成人	刊物、出版社或授权单位名称	年、卷、期、页或专利号
1	特邀报告	Heat Transfer Problems Induced by Multi-Shocks Interaction (Invited Paper)	Jiang ZL, Li JP	2^ndISCM and 12^thEPMESC	Nov.30-Dec.3, 2009，Hong Kong, Macau
2	特邀报告	Research Progress on Hypersonic Flow in LHD CAS	Jiang ZL	6th Minsk International Heat and Mass Transfer Forum	May.19-23, 2008, Ukraine
3	特邀报告	Research Progress on High-Enthalpy and Hypersonic Flows	Jiang ZL, Yu HR, Lin ZB	5th International Conference on Fluid Mechanics	Aug. 15-19, 2007,ShanghaiChina
4	论文	Experimental demonstration of a new concept of drag reduction and thermal protection for hypersonic vehicles	Jiang ZL, Liu YF, Han GL, et al	Acta Mechanica Sinica	2009, 25(3):417-419
5	论文	Numerical study of the oscillations induced by shock/shock interaction in hypersonic double-wedge flows	Hu ZM,Myong RS, Wang C et al	Shock Waves	2008,18(1): 41-51
6	论文	Advances in detonation driving techniques for a shock tube/tunnel	Yu HR, Chen H, Zhao W	Shock Waves	2006,15:399–405
6	论文	Performance Study on Detonation- driven Expansion Tube	Jiang ZL, Gao YL, Zhao W	16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference	AIAA-2009-7237 Oct.19-22, 2009, Germany.
7	论文	中国科学院高温气体动力学重点实验室研究进展	姜宗林	力学进展	2010,40(2): 234-236
8	论文	高超声速吸气发动机燃气模拟装置	陈宏,李斌,李进平等	空气动力学学报	2009, 27(增刊):34-39
9	论文	超高速高焓流动研究进展	姜宗林,赵伟,孙英英等	空气动力学学报	2009,27(增刊):13-20
10	论文	激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题	李进平,冯珩,姜宗林	力学学报	2008,40(3):289-296
11	论文	爆轰驱动高焓激波膨胀管性能研究	高云亮,赵伟,姜宗林	力学学报	2008,40(4):473-478
12	论文	不同热化学非平衡模型对高超声速喷管流场影响的数值分析	曾明,冯海涛,林贞彬等	空气动力学报	2006, 24(3)
13	论文	高超声速钝锥流场红外辐射实验研究	林贞彬,黄德,杭建等	力学学报	2006, 38(4): 446-451
14	发明专利	一种高超声速飞行器无烧蚀自适应防热和减阻系统	姜宗林,韩桂来,李岐	国家知识产权局	ZL 2006101696839
15	发明专利	一种高超声速飞行器逆向脉冲爆炸防热和减阻方法	姜宗林,韩桂来,刘云峰	国家知识产权局	ZL 2006101696843

附件：