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好飞机要经得起吹

日期:2017-08-17 来源:大飞机报 护眼模式:
 

  飞机“长成”什么样子更省油?如何设计噪声才更低?飞机在高空遭遇结冰气象能否保持安全?这些都需要风洞试验给出答案。

  风洞试验历史悠久,早在1871年,英国人温汉姆建造了世界上第一个风洞。30年后,莱特兄弟运用风洞技术研究和改进了自己设计的飞机,为之后进行的人类历史上第一次带动力飞行奠定了基础。

  C919的气动外形如何验证

  风洞试验简单来说,是根据运动的相对性原理,将飞机模型固定在地面,人为制造气流流过,模拟真实飞行时飞机周围的空气流动情况,以研究飞机与空气流动的相互作用,了解飞机的空气动力学特性。

  中国建造风洞的历史可以追溯到1936年。目前国内最具规模的风洞试验基地是位于绵阳的中国空气动力研究与发展中心。C919大型客机的许多风洞试验在这里开展。

  风洞试验作为飞机气动设计的重要手段,其最广为人知的作用就是飞机的气动布局设计。C919大型客机气动布局设计实现综合减阻5%的目标,风洞试验实在功不可没。

  C919的气动布局是“常规布局”,但要实现这个“常规布局”也不是简单的事儿。“差之毫厘,谬以千里”这句古话用在飞机气动布局设计上再合适不过。

  拿飞机气动设计的核心——机翼设计来说,机翼剖面哪怕差个几毫米,对于飞机整个气动性能都有巨大影响,发动机吊在机翼的不同位置也颇多讲究。

  飞机的气动外形不存在“照葫芦画瓢”,每个型号都有独特的气动外形,飞机的主制造商对飞机的气动外形拥有完全自主知识产权。它是设计师根据飞机的顶层性能指标,采用CFD方法设计、修型、优化得到。

  那这种在电脑里采用CFD方法模拟计算得出的气动外形是否符合设计要求?

  这就要依靠风洞试验进行验证。

  如何在有边界的风洞模拟没有边界的气流

  风洞试验并不像看起来那样简单,它必须解决一切试验共同的难题:仿真性。飞机在不同飞行阶段,遭遇各种气候条件,只要有试验需求,就要能够在风洞里面模拟出来相应的空气流动情况。

  要控制空气这个看不见摸不着的东西,难度着实不小。飞机飞行时,空气可是没有边界的,那在风洞这个有边界的地方,如何模拟没有边界的气流?飞机飞在空中是腾空而起,在风洞中却是支在一个架子上,气流受支架影响,其周边的气流会不会发生改变?

  事实上,中国1936年建造的第一个风洞,在战争时被日军炸毁了,随后建造的风洞依然难逃厄运,为的就是遏制中国空气动力研究,而空气动力研究正是航空航天发展的基础,风洞试验的难度和重要性由此可见一斑。

  好在中国风洞起步晚,步子却不小。目前,中国已经拥有了亚洲最大的风洞群,具备开展低速试验、高速试验、噪声试验、结冰试验等一系列试验的能力,其中有许多试验水平已经达到国际先进水平,基本消除了上面提到的边界影响、支架影响等。

  当然,“基本消除”并不代表“完全消除”。风洞试验测取的数据并不能完全代表真实情况,需要进行一系列的数据修正,才能获得压力分布这些后续设计必需的分析数据。而这是真正考验飞机设计师水平的地方。

  因此,C919飞机还开展了高雷诺数风洞试验、动力影响试验、气动弹性风洞试验等一系列用于数据修正的风洞试验,建立起一套从“风洞数据”到“真实数据”的修正模型,保证了试验数据的有效性。

  比如静气动弹性风洞试验,因为一般风洞试验使用的是金属材质,属于准刚性模型,但是飞机其实是弹性体,这就要通过气动弹性风洞试验对常规试验数据进行修正,以获得更为准确的飞机气动特性。

  不止于气动外形设计,飞机还要开展结冰试验、噪声试验、抖振试验等特殊风洞试验。就拿结冰风洞试验来说,飞机结冰一直是飞行安全的大敌,在飞机失事案例中占很大比例。

  以往,我们国家的飞机都要到国外去开展结冰风洞试验,2013年,我国终于建成了自己的结冰风洞,成为世界上第三个可以开展民机全研制过程结冰风洞试验的国家。

  通过结冰风洞试验,设计师们可以获得在不同气象条件下飞机的结冰位置和结冰冰型等,从而确定结冰容限及必须防除冰的表面,为飞机防除冰提供安全设计的依据。

  风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”,被世界各国视为重要的战略资源。从第一架飞机约20个小时的风洞试验,到现在一般飞机型号所需的上万小时风洞试验,风洞试验技术一直伴随着飞机研制技术的发展而不断提高,重要性也愈加凸显。 (喻媛)


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  中国高铁凭什么能跑486km/h?

  全球顶尖风洞试验功不可没

  一直以来,空气动力学是飞机和火箭设计师最为关心的领域,如今,它也成为了高铁设计团队时时刻刻思考的问题。中国高铁曾于2010123日,在京沪先导段创造了486.1公里的时速,这个时候,列车百分之九十的阻力都已经是由气动问题产生的。

  “当列车以每小时200公里行驶的时候,空气阻力占总阻力的70%左右,和谐号CRH380A在京沪高铁跑出时速486.1公里时,气动阻力超过了总阻力的92%,如果跑到500公里以上,95%以上都是气动阻力了。”相关工作人员介绍。空气阻力和列车运行速度的平方成近似正比关系,速度提高2倍,空气阻力将增至4倍。正是这个平方关系,让设计师绞尽脑汁。

  要知道,高铁如果以时速380公里来运行,这已经相当于飞机低速巡航的速度,这个时候可以把列车想象成一个在地面飞行的机舱。然而与飞机相比,高速列车还要面对地面气流的扰动,两车交会时车体的激荡,以及车体通过隧道时气流的剧烈变化等因素。

  “高铁就像一架飞机在不停地起降。”中科院力学所杨国伟研究员曾这样向媒体解释,“坐飞机最危险的是起飞和降落,因为有地面效应,包括建筑、风对飞机的激扰,所以,飞机设计的难点在起和降的过程。而高速列车始终在地面上高速运行,从空气动力学车与空气相互的作用角度,既要考虑地面对列车的强激扰,也要考虑到高速运行状况下气流激扰。”

  如何让高铁拥有最优的气动设计?除了设计时的计算,通过风洞试验来验证也是必不可少的手段。

  C919大型客机开展风洞试验的四川绵阳,中国高铁也曾在这里进行测试。按照1:8比例制作的高速列车测试模型被小心翼翼的吊装进入风洞试验的现场,在组装完成后,将在这里进行风洞试验。

  试验并不是一帆风顺的。在央视纪录片《超级工程》中曾有片段介绍高铁的风洞试验。一开始试验的结果与理论值差距很大,设计师们的时间又有限,必须马上找出其中的原因。设计团队经过一点点地排查,在18个小时后,再一次试验开始,试验减阻6%的目标实现,其他性能指标也表现优异。

  据介绍,高铁设计师们为降低空气阻力,应用仿生学和空气动力学理论,不断改进列车车型,创作了100多种头型概念,优选构建了80余种三维数字模型,开展了初步空气动力学仿真,比选出20个气动性能较优的头型,进一步进行气动优化,制作出1:20实物模型,根据仿真数据和美观效果,最终制作五款1:8头型分别做了风洞力学试验和气动噪声试验。

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