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发布日期:2022年04月07日
为飞行器研制架设“高速公路”
——访西工大翼型叶栅空气动力学国家级重点实验室

本报记者 吕扬

在西北工业大学友谊校区西门附近,有一个看似不起眼却别有“洞天”的实验室——翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室(以下简称实验室)。

“简单地说,我们实验室是研究如何让飞机飞得更快、更高、更远的。这就需要能在地面模拟飞机空中飞行并获取其受力特性的实验装置,也就是通常说的风洞。”实验室主任韩忠华教授说,“现代飞机的研制离不开风洞试验,天上有什么样的飞机,地面就对应有什么样的风洞。高品质的风洞是国家的战略资源,航空大国无一不是风洞设备的大国。”

推动我国航空科技高水平自立自强

一架飞机能否完美地飞行是由很多因素决定的,其中飞机翼型和叶栅,是飞机在蓝天上飞翔的重要因素。

“相比飞行试验,风洞试验更经济、更安全。”实验室副主任高永卫教授说,“我们的模拟装置是根据相对运动原理建立的,采用飞机不动、气流高速吹过的方式,模拟飞机在空中飞行时所受的空气动力。”

风洞听起来简单又好玩,却融入丰富的高科技元素,建造难度比我们想象的要大得多。以往的高速风洞是通过高压气罐来提供气源,从而产生高速气流。由于气源的容量有限,吹风的时间和气流的稳定程度都受到了较大的限制——“吹一口气就结束了”,无法满足高品质风洞试验的要求。“因而,能够提供持续稳定气流、大大延长实验时间的增压连续式高速风洞就成为研究的重点。”韩忠华说,建设增压连续式风洞存在多个学科难点,高压比、大流量的轴流压缩机就是一个难以解决的问题。

20世纪90年代,国内还没有针对大型风洞设计制造的轴流压缩机。更困难的是,轴流压缩机没有用在风洞上的先例,使用经验为零,同时轴流压缩机在工作过程中又更易遇到喘振工况。

“这一现象就如同哮喘,设备内出现周期性的出风和倒流,使压缩机叶片极易疲劳,多数叶片在很短的时间内就会断裂,后果不堪设想。以往的防喘振措施,在风洞内都无法使用。”高永卫说,在没有先例支撑的情况下,一时间轴流压缩机的喘振保护成为最大的“拦路虎”。

风洞设备环环相扣,一个小小的调整就可能牵一发而动全身,影响设备整体建设的成功。这就需要经过严谨的反复论证、大量的计算研究以及精益求精的施工和调试,来调整和优化轴流压缩机的防喘振措施。

西工大科研人员潜心研究,集智攻关,终于得出了可行性方案,并通过实际测试证明能够有效保护风洞的压缩机不进入喘振边界。

1992年,国家决定在西工大建立翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,并于1996年建成投入运行。如今,这里诞生了亚洲最大的低速翼型风洞、国内第一座增压连续式高速翼型风洞、国内高校首座连续式高速平面叶栅风洞、国内首台轴流式双排对转压气机试验装置以及国内唯一一套从翼型、叶栅和机翼设计、评估、风洞试验验证到形成数据库的设计体系和面向新一代高性能飞行器与发动机的先进翼型、叶型谱系数据库,为国家飞行器研制提供了“高速公路”。

把核心技术掌握在自己手里

“设计飞机必须先有翼型,翼型是飞机气动力的基因和灵魂。”韩忠华说。

翼型是构成各种飞机机翼和其他翼面的基本要素,翼型的空气动力学性能直接影响飞行器的飞行性能和飞行品质。翼型设计技术已经成为飞机机翼、直升机旋翼以及螺旋桨设计的一项关键核心技术。

20世纪80年代以来,翼型在飞机设计中的关键作用凸显,国外先进翼型数据很少公开。在这种情况下,自主攻克先进翼型技术难关成为我国飞行器研制发展的关键一环。实验室先后自主设计了国内第一个自然层流翼型、第一个低阻超临界翼型、第一个高升力螺旋桨翼型系列、第一个水下低噪声螺旋桨翼型系列和第一个通用直升机旋翼翼型系列等,设计方案应用于无人机和干线飞机、支线飞机、无人水下航行器螺旋桨等众多领域,成果达到国内乃至世界领先水平。

叶栅是航空发动机的重要组成部分。叶栅的气动性能直接决定了发动机旋转做功部件压气机与涡轮的品质,叶栅及叶型的设计技术是航空发动机研制的关键核心技术之一。

“研究发展先进翼型、机翼及翼身融合设计方法,能够为我国自行研制高性能飞机、直升机提供先进的空气动力学设计技术基础。而先进叶型、叶栅及其气动布局技术,则可为我国航空发动机核心机研制提供必要的技术支撑。”高永卫说。

实验室在面向国家重大战略发展需求的科研攻关中,先后突破了翼身融合飞机布局设计、翼型谱系化设计、百维级全局气动优化设计、宽速域机翼气动设计、仿生扑翼设计等关键技术,形成了飞行器空气动力和航空发动机内流动力学分析与设计以及学科交叉研究体系。实验室共获得国家科技进步奖一等奖2项、二等奖4项,国家技术发明奖二等奖3项及几十项省部级奖项,为我国航空领域的科研攻关提供了强有力的技术支撑。

在国家需要时刻勇挑重担

运-20在研发中需要满足空投空降相关的重要战术技术指标,而这些指标需要有一定的实验条件来进行验证和改良。在国家需要的时刻,西工大接下了重担,仅仅半年时间快速改造了原有的风洞,用于运-20实验,为国家重器的研发工作开通了“快速通道”。

回忆起当时的情景,高永卫感慨地说:“学校高度重视这项任务,我们实验室更是责无旁贷,在密集繁重的研究任务中为‘大运’开辟了绿色通道,当时就决定这个风洞只做运-20的实验,随时待命。”

“C919飞机的研制过程中,国外查不到可借鉴的先进翼型数据,国家组织了全国的力量搞翼型,因为民航客机必须突破超临界机翼设计这项核心关键技术。”韩忠华说。

实验室作为大型客机联合工程队认可的三个主要团队之一,承担了C919飞机翼型与机翼设计的科研攻关工作,为中国首架具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机的关键技术突破作出了突出贡献。

“还记得在庆祝中华人民共和国成立60周年阅兵式和庆祝中国人民解放军建军90周年阅兵上亮相的、由西工大研制生产的无人机方队吗?”实验室副主任许和勇教授自豪地说,“它们所使用的翼型也都来自我们实验室。”

不仅如此,国产商用大涵道比涡扇发动机、新一代高推重比发动机等众多型号的发动机叶型的研制,都有实验室的贡献。

“在某型号飞机发动机的研制过程中,发动机的风扇叶片出现了意外情况,研发工作面临困难。我们实验室接受了相关任务,在叶栅风洞进行吹风试验,开展叶片改型等工作。”实验室副主任高丽敏教授回忆。

实验室的叶栅气动专家们还深度参与了我国第三代、第四代航空发动机与国内首台商用大涵道比涡扇发动机CJ1000发动机的研制过程,已掌握多种先进叶型设计技术,能够为我国飞机更强健的“心脏”提供有力支持。

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