基本介紹
- 中文名：激波風洞
- 外文名：shock tunnel
發展沿革,特點,組成,套用實例,
發展沿革
使用炸藥驅動風洞的想法首先在艾姆斯套用於A．埃格斯研製的炮風洞內。這座炮風洞象查特斯炮一樣使用笨重的金屬活塞，性能並不太好。然而它卻導致利用激波壓縮產生一股試驗時間短但持續時間適當的高超音速熱氣流的激波風洞的發展。這種激波風洞和炮風洞是同時進行研製的，事實上一種可看作是熱氣炮，另一種可看作是模型發射炮。然而，業已發現，在激波風洞中使用氧、氫．、氦混合氣體作為爆炸物最理想。這樣一種按適當比例混合的氣體所產生的燃燒率和脈衝與固體炸藥相比更適合於激波風洞的要求。
1956至1957年激波風洞的研製是在兩條戰線上同時進行的。一條戰線是在A．埃格斯的監督下由B．坎寧安和漢森組成的小組負責；另一條戰線由A．塞夫的下屬超音速自由飛風洞室副主任T．坎寧負責。T．坎寧根據J．斯托德以前提出的一個建議，主張應把激波風洞和輕氣炮一起用在反流(按SSFF風洞方式)設備中，以便在模型與氣流之間獲得比以往所獲得的高得多的相對速度。A．塞夫接受了這個意見並一起將該建議提交給他們的部長哈維 艾倫，而哈維認為這個主意不太現實；指望在來自激波風洞的空氣脈衝和被炮加速的模型相遇的一瞬間獲得有用的數據看來是過分樂觀了，因而使哈維無法輕易接受。然而坎寧和塞夫堅持對他施加壓力，最後終於使他勉強同意試試這個方案。試驗是使用臨時設備進行的，但卻足以證明建造這樣一種引導性模型設備是正確的。
現在要對已發明的這許多高超音速試驗設備命名也都成了難題。對坎寧和塞夫建議建設的設備取名為“超高速自由飛設備”，或簡稱HFFF。1957年建的設備是一個較小、花錢不多的引導性的HFFF，它主要用從試驗室其它地方蒐集來的零部件組裝成，無疑未向總部申報並未經批准。與此同時，B．坎寧安和他的同事們已經設計並開始建造一座可在氣流速度非常高的條件下試驗固定模型的一英尺激波風洞。
特點
這類風洞包含相連的驅動段和被驅動段，驅動段存儲高壓、高能量氣體，被驅動段則存儲低壓的試驗氣體，試驗前二者被膜片隔開。試驗時，膜片破裂，驅動段氣體被釋放至被驅動段，這時在被驅動段產生一道運動激波，為了提高運動激波馬赫數，驅動段氣體一般為較輕的氣體。如果要獲得更高的馬赫數，可以加熱驅動段氣體。隨著設計的運動激波馬赫數的增加，驅動段和被驅動段的增壓比迅速提高，增壓比和氣體種類以及溫度有關係。為了保證膜片破裂的準確性，一般在驅動段和被驅動段之間安裝兩個膜片。被驅動段末端安裝有第二道膜片，當入射激波到達該膜片時，立刻向上游發出一道反射激波，同時激波後氣體立刻被滯止從而產生高溫、高壓的滯止氣體，該氣體通過加速噴管加速至所需要的試驗狀態。試驗時間由反射激波和接觸面相遇的時間決定。試驗時間為第二道膜片破裂時刻和接觸面進人試驗段的時刻之間的時間。
組成
激波管與噴管由膜片（通常稱第二膜片）隔開。激波管通常是由膜片(第一膜片)隔成兩段(驅動段和從動段)的一根柱形管子，分別充以滿足實驗要求的高壓驅動氣體和被驅動的低壓實驗氣體。噴管以後均被抽成真空。它的工作過程是:風洞起動時激波管中的膜片先破開，引起驅動氣體的膨脹，產生向上游傳播的膨脹波並在實驗氣體中產生激波。當激波向下游運動達到噴管入口處時，第二膜片被沖開，經過激波壓縮達到高溫高壓的實驗氣體進入噴管，膨脹加速後流入實驗段，供模型實驗使用。當實驗條件因波系反射或實驗氣體流完而消失時，風洞運行的有效時間也就終止。激波風洞的實驗時間極短，通常以毫秒計。
套用實例
20世紀70年代各重點型號相繼進入攻關階段，當時已有的小尺寸高超聲速風洞難以滿足型號研製需求。JF8激波風洞的安裝調試，受參加“四清”和“文化大革命”運動的干擾，進展雖然較慢，還是趕上了急需。實現了當時已因公犧牲的郭永懷烈士的英明預見。
1972年為返回式衛星，隨後接連為其他型號做氣動加熱和模型自由飛試驗。除完成常規試驗提供設計數據外，重點為協助解決研製過程中出現的疑難問題。
文獻報導：粗糙表面熱流率較光面可增大數倍。按此設計防熱層厚度將難以實用。針對這一問題，我們前後3年對多種粗糙結構，採用多種方案進行對比實驗。結果表明：若粗糙面和光面邊界層均為湍流狀態，則粗糙面表面熱流率較光面增加量，最大不超過30%；如光面為層流狀態，在相同氣流參數下測量粗糙表面熱流率，則粗糙面熱流率較光面可成倍甚至量級增大。這是因為粗糙度具有強烈促進邊界層轉換作用，使熱流率劇烈增加。據此，我們建議：若熱流率已取湍流熱流率數值，則考慮燒蝕形成的粗糙度影響，將加熱載荷增加30%足矣。該建議被採用，實踐證實可靠。
安裝在彈體外殼上的天線尺寸相對較小、按常規比例縮尺製造試驗模型，則天線周圍氣動加熱數據難以測準。我建議採用平板做近似局部模擬。這樣天線尺寸可以放大，有利於測出最大熱流率。實驗結果出乎意料：垂直突出園柱上游壁面，當來流馬赫數為8時，最高熱流率較無突出物時高出近50倍(隨馬赫數上升而增加)，幾乎比文獻報導數據大一個量級。如此惡劣加熱環境，將燃穿防熱層。經與設計師商討和分析研究，提出避免出現高熱流區的措施。
其他風洞試驗中發現某重要型號在高馬赫數範圍出現靜不穩定。我們在錐形和平行試驗氣流中完成模型自由飛試驗。試驗和分析結果均表明，上述靜不穩定現象是錐形試驗氣流產生的假象。幫助設計師解決了疑慮。
