西北工业大学:空气动力 如“虎”添“翼”

西北工业大学:空气动力 如“虎”添“翼”

来源:中国日报网    2022-03-12 10:57
来源: 中国日报网
2022-03-12 10:57 
分享
分享到
分享到微信

西工大的校园里处处卧虎藏龙,友谊校区西门附近有这样一个低调、非凡、有内涵的实验室——翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室。这里孕育着什么“虎”?又给什么插上了翅膀?这5个问题带你深入了解!

1. 风洞是什么?

风洞是在地面研究飞机在空中飞行受力情况的模拟装置。它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。相比飞行试验,风洞试验更经济和更安全。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。

2.建设风洞有多难

以往的高速风洞是通过高压气罐来提供气源产生高速气流的。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”,无法满足现代高品质风洞试验的要求。因而能够提供连续稳定气流,大大延长实验时间的增压连续式高速风洞就成为了研究的重点。

知之非艰,行之惟艰。建设增压连续式风洞在多个学科存在难点需要攻克,高压比、大流量的轴流压缩机就是一个非常难解决的问题。当时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,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。因而调整和优化需要经过反复论证、大量的计算研究以及精益求精的施工和调试。翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室的专家和研究人员践行自立自强的科学家精神,勇攀高峰、追求真理、潜心研究、集智攻关,终于得出了一套方案,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。

百锻为字,千炼成句。重重困难的磨砺下,学校最终在翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室建成了国内第一座增压连续式高速翼型风洞(NF-6风洞),同样在这里诞生的亚洲最大的低速翼型风洞(NF-3风洞)等设备也都经历了和NF-6一样艰辛的研究历程。这些风洞在重点实验室为国家飞行器研制提供了“高速公路”,未来也将有更多的国家“猛虎”经过这里的风洞试验而一步步诞生。

3. 重点实验室的主要研究方向是什么?

翼型是构成各种飞机机翼和其它翼面的基本要素,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。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、机翼及翼型—飞机一体化设计方法,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。1992年,国家决定建立翼型、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。

重点实验室自主研制建成了亚洲最大的低速翼型风洞(NF-3)、国内首座增压连续式高速翼型风洞(NF-6)和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的一套从翼型、叶栅和机翼设计、评估、风洞实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和发动机的先进翼型、叶型谱系数据库。

重点实验室突破了翼身融合飞机(BWB)布局设计、翼型谱系化设计、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,将不断助力我国飞行器研制,推动我国航空科技的高水平自立自强。

实验室在面向国家重大战略发展需求的科研攻关中,不断创新,硕果累累,共获得国家科技进步一等奖2项,二等奖4项,国家技术发明二等奖3项,省部级一等奖7项,二等奖12项,为我国的关键领域科研攻关提供了强有力的技术支撑。

4.实验室还为国家科研攻关作出了哪些贡献?

“设计飞机必须先有翼型,翼型是飞机气动力的基因和灵魂。”实验室主任韩忠华教授说道。

上世纪80年代以来,翼型在飞机设计中的关键作用就越来越受到世界各国的关注,在复杂的内外部环境下,自主攻克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。

“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。”韩忠华教授坚定地说道。而翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室作为大飞机工程队认可的三个主要团队之一,承担了C919翼型与机翼设计的科研攻关工作,在幕后奋战,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做出了突出贡献。

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,西工大和翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室积极响应,接下了重担,为能够用于运-20实验,半年时间快速改造了原有的风洞,并为国家重器的研发工作开通了“快速通道”。高永卫教授说:“学校高度重视,实验室也积极配合,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能做运-20的实验,要随时待命!”从那以后,相关的运输机后续实验项目也都陆续在实验室开展,实验室也坚持做着大国重器的坚强后盾。

“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是来自我们实验室!”

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,都投入了重点实验室辛勤的付出。

重点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,迄今为止已发展了多种先进叶型设计技术,为我国飞机更强健的“心脏”提供有力支持。“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反复断裂的情况,让研发工作面临困难,于是团队就将叶片送入我们实验室,在这里的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道。

5. 实验室培养了哪些高层次人才?

翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室所依托的航空宇航科学与技术和力学等学科在人才培养方面做出了卓越贡献,堪称“总师的摇篮”。其中包括军机三总师(歼-20总师杨伟院士、运-20总师唐长红院士、歼-15常务副总师赵霞)、民机三总师(ARJ21总师陈勇、C919总师韩克岑、C929总师陈迎春)、中国空气动力研究与发展中心连续三任总师(邓小刚院士、唐志共院士、刘刚总师)以及发动机总师程荣辉、黄维娜、陈云永等。“明星”阵容,彰显重点实验室雄厚的人才培养力量。

作为依托高等院校的重点实验室,其在研究生培养方面也有得天独厚的优势。重点实验室自建成以来为航空、航天、兵器主机院所输送一大批空气动力学研究人才。据统计,航空工业一飞院、631所、兵器203所、中国商飞相关气动科室部门近1/3科研人员均为重点实验室所培养的毕业生,部分学生已成为行业领军人物、知名专家或技术骨干。这些人才培养成就也使重点实验室荣获国家级教学成果奖一等奖2项。

少年兴则国家兴,少年强则国家强。重点实验室不仅专注研究生人才培养,也为厚植青少年航空报国情怀付出了行动,入选第一批全国科普教育基地。重点实验室在暑假期间积极开展暑期夏令营活动、航空科普教育活动,在青少年心中种下了科技兴国、人才强国、航天报国的种子,激发他们崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情,早日为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献力量。

西工大校园里,轰鸣的风洞隆隆不止,翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,耕耘不辍、默默成长,空天翱翔有他们托举,大国重器有他们保障。幕后的艰辛鲜有人知,但当国家自研飞机光荣试飞,沐浴在阳光与闪光灯下时,地上他们的汗水,也闪耀着英雄的光芒。

(中国日报陕西记者站)

【责任编辑:许聃】
中国日报网版权说明:凡注明来源为“中国日报网:XXX(署名)”,除与中国日报网签署内容授权协议的网站外,其他任何网站或单位未经允许禁止转载、使用,违者必究。如需使用,请与010-84883777联系;凡本网注明“来源:XXX(非中国日报网)”的作品,均转载自其它媒体,目的在于传播更多信息,其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何问题与本网无关。
版权保护:本网登载的内容(包括文字、图片、多媒体资讯等)版权属中国日报网(中报国际文化传媒(北京)有限公司)独家所有使用。 未经中国日报网事先协议授权,禁止转载使用。给中国日报网提意见:rx@chinadaily.com.cn