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原文  xb101-1.doc
刊名 中国工程院第二次院士大会学术报告汇编
出版时间 1995年7月
标题 脉冲式空气动力学地面实验装置应用及发展
著者 乐 嘉 陵
正文 一、前言 空气动力学是研究空气和物体相对运动时相互作用(产生的力、热、光电
效应)规律的一门科学技术，它的研究对象包括了航空航天中各类飞行器和非航空航天的
各类风工程(风力发电、桥梁、汽车、高速列车等)。由于微电子和大型计算机的发展，
在技术上空气动力学已经与飞行控制、飞行仿真、结构防热、各类先进发动机、光电目
标识别相结合，逐步形成新的综合设计方法，从而大大提高飞行器概念研究和设计的效
能，这已是众所周知的事实。此外，在航空航天新兴领域诸如超燃发动机、超高速发射
器、智能拦击器等关键技术的突破中，空气动力学不仅发挥了巨大作用，而且与燃烧、
物理化学、电学光学等各类学科相结合产生了新的交叉学科(如Combustion Aerodynami
cs, Hypervelocity Aerophysics Research, Hypersonic Aero-optical Research)。 
例如：在超音速燃烧冲压发动机研制过程中湍流化学反应流和高温空气动力学或者说是
燃烧和高超声速空气动力学两者之间产生了交叉与结合，形成了燃烧空气动力学或者说
发动机空气动力学。尤为典型的是超燃发动机地面实验与分析技术已经成为近十多年来
世界各国高超声速空气动力学实验和计算的一个主要发展方向。空气动力学传统实验领
域中的一些主力设备如：蓄热式常规高超声速风洞、电弧风洞、激波风洞等在经过适当
改造后已经为超燃冲压发动机在飞行马赫数3.5-17范围内的研制与性能评估做出了重要
贡献。空气动力学实验设备和实验方法的发展已经对超燃发动机的研制产生举足轻重的
影响。如美国近期放弃国家航天飞机计划从而导致超燃冲压发动机研制下马的一个很重
要的原因就是在大型空气动力学地面实验设备方面缺少足够的技术储备。 超高速发射器
(有时称为超级大炮)是近期空气动力学产生影响的又一个技术领域。目前世界各国研究
上比较活跃的超高速发射器有二级氢气炮、电磁轨道炮和冲压加速器三类。二级氢气炮
从60年代以来一直是空气动力学领域中的一个主要实验设备。90年代初美国首先提出了
国家级超高速气动物理靶(Advanced Hypervelocity Aerophysics Facility)的建设。这
一设备的发射器长度为150-300米，发射模型重6kg。第一阶段用现有二级氢气炮技术发
射速度为6km/sec，第二阶段用二级轻气炮和冲压加速器相结合的技术，模型速度达12-
15km/sec。设备建造的目的是为了复现超高速飞行中的一些重要气动物理(Aerophysics
)现象。冲压加速器(Ram Accelerator)概念是80年代初美国西雅图华盛顿大学著名空气
动力学家A.Hertzberg首先提出的。运行方式类同冲压发动机，被加速的弹体与发射管管
壁之间的通道可以设计成冲压发动机的进气道、燃烧室、喷管的形状，发射管内事先充
以气体的燃料与氧化剂，由于弹体在管道中的高速运动所产生的激波，使可燃混合气体
增压增温并产生燃烧与爆震，从而推动弹体加速。这类发射器研制的目标是：将2000kg
初始载荷发射到8-10km/sec的初始速度。目前世界各国的空气动力学研究中心正在集中
力量进行技术攻关，通过各类实验、数值计算和理论分析，解决燃料、几何和流动参数
三者之间的最佳匹配以期获得重复的7km/sec的初始发射速度。这是自60年代二级氢气炮
建立以来世界范围内空气动力领域中又一次对超高速发射器的技术攻关。 高超声速空气
动力学和光学的交叉与结合产生的气动光学(Aero-Optical Research)学科是在智能拦击
器研制过程中形成的。智能拦击器在高超声速飞行条件下其周围产生强激波和高速气流
。为解决拦击器表面严重的气动加热，表面窗口周围喷射了冷却气体以保证红外探测器
的正常工作。(拦击器)跟踪目标的光讯号在到达红外探测器前必须经过激波层、窗口附
近的气体剪切层(由冷却气体和外流空气混合的)和湍流边界层。所谓高超声速气动光学
效应是指目标的光讯号经过激波层、剪切层和湍流边界层后引起的讯号的畸变与失真效
应(即：讯号在焦平面阵列上漂移产生的瞄视误差、讯号的畸变与抖动)。这种气动光学
效应如果不作修正就会造成拦击器跟踪目标的失败。气动光学问题实质上是光波(不同波
长、光束直径)与高温气体激波层、湍流的相互作用问题，因而是一个十分困难和十分典
型的高超声速空气动力学和光学两者之间的交叉与综合研究问题。由于问题的复杂性，
目前在空气动力学领域中正在进行各类实验研究和理论分析工作以建立光波波长，光束
直径、湍流脉动这三者对讯号畸变与失真的影响。 综上所述，当代空气动力学的发展产
生了新的交叉学科和新的综合设计方法，使它对航空航天领域中关键技术的突破和概念
研究产生越来越大的影响。 二、发展脉冲式高超声速试验技术 2.1 高超声速飞行器研
制涉及到空气动力学中复杂的热、表面烧蚀、光电等效应，更加需要风洞试验、大型数
值计算、飞行试验的综合研究。我国飞行器研制工程的经验和美国国家航天飞机计划失
败的教训都证实了提高飞行器研制可信度、避免昂贵飞行试验失败的一个重要措施是尽
可能提高高超声速地面试验的能力。 2.2 为了克服高超声速地面试验要求大能量的困难
，以钱学森为代表的一批著名科学家在60年代中期提出的发展中国的脉冲式高超声速试
验技术解决气动力气动热问题的方针是高瞻远瞩的： "脉冲式风洞下决心要搞，实验时
间几毫秒，一般为6-12毫秒，关于炮风洞实验时间可达几百毫秒。要下决心搞毫秒级测
试技术。激波管可达第一宇宙速度8km/sec；激波风洞试验段2米左右；激波膨胀管达到
第二宇宙速度11.2km/sec。第一、第二宇宙速度都有了，这就为飞行事业的发展准备了
条件。达到第二宇宙速度后继续前进，提高速度的办法是用电磁流体加速，采用火箭技
术，也是脉冲放电，利用电磁流体的收缩效应速度可达100KM/sce"。 在国防科工委直接
领导下，中国空气动力研究与发展中心(CARDC)在十分困难条件下自行研制了包括激波管
、激波风洞、弹道靶、脉冲羽流装置等一大批脉冲式高超声速研究和工程性试验装置并
且成功地应用于各类型号设计。 例如CARDC利用工作时间为6-20毫秒的脉冲式羽流装置
，在直径为2米，长为10米的小型真空容积中进行了推力为400-4000牛顿、环境高度为8
0公里的各类火箭发动机的高空羽流试验，从而大大节省了型号研制费用。十多年来在这
个装置中共进行了近1600次试验，解决了运载火箭中大量的有关级间分离、四喷管底部
防热、一级和二级连接窗口的设计，游离发动机喷流对主发动喷管的冲击，捆绑式多喷
管之间喷流相互干扰等众多的气动设计问题。近期完成了1/10缩比逃逸救生飞行器固体
发动机对栅格尾部的冲击热效应试验，再一次显示了脉冲式运行方式的优越性和经济性
。 在CARDC的工作时间为1毫秒左右的气固两相激波管中，用激波加热干净空气的办法进
行了高温空气(2000-5000K)和固体微粒(粒子直径为几微米)相互作用所产生的物理化学
反应的研究。由于这种独特的装置和技术，CARDC获得了一些特殊材料的固体微粒受高温
气体激发后产生的光电特性。 目前CARDC的许多脉冲式试验装置正在为国家的重点型号
提供许多工程设计数据。在三十多年试验研究经验的基础上，CARDC还正在论证利用激波
风洞等脉冲式高超声速试验装置进行M=6-8飞行条件下大尺寸超燃冲压发动机试验的可能
性。如果不是采用脉冲式风洞而是采用长时间的远行方式，在典型飞行条件下(M=8，H=
35KM，流量10kg/sec)进行这样的试验所需的气流能量为30.4MW，电源功率至少为100MW
。这样大的电源要求，目前只有美国才具备这样的条件。采用10毫秒量级的脉冲式试验
装置就能克服大能量的要求。实际上这也是我国进行大尺寸超燃发动机试验唯一可能的
途径。综上所述，我国60年代确立的发展脉冲式高超声速试验技术的方针对我国航空航
天技术的发展已经产生了深远的影响。 三、大型计算机的发展为进一步开拓空气动力学
提供了机遇 80年代以来计算空气动力学(CFD)取得了巨大进展，从基本流动到概念、最
终的气动设计方面，CFD逐步代替了一部分传统的作法。当前和将来CFD最困难也是最重
要的任务是：经过少量飞行试验的验证，要求CFD能够将各类缩尺的、局部的实验数据综
合外插到全尺寸飞行器的复杂的(包括物理化学光电等)实际的流动，从而使CFD能够用于
产品设计，这也是当前世界各国正在发展的一个高新技术。由于CFD发展的关键是各类精
细的实验验证，因而CFD也就大大推动了各类高级实验的发展。经过实验验证的CFD能够
逐步应用于各类工程问题。例如CARDC的一个研究小组在小型激波管中进行了在管道中激
波对各类典型物体的冲击与绕流的实验研究。物体为二维的楔、双尖劈、园柱、双园柱
、翼型，管道形状为直管道，直角管道与弯管道，激波强度为MS=1.8-7.6，压力波形为
方波或指数爆炸波。在1毫秒的流动时间内，激波绕流的密度场用光学的马赫、差分、莫
尔、光栅和全息干涉方法进行定量分析并与CFD的计算结果进行比较，以验证和改善CFD
技术。经过这样考核的CFD程度就能用来研究各类工程问题。例如，CARDC已经用这样的
程序研究了一个典型的爆炸波对建筑物的冲击效应，典型爆炸波的爆炸当量为50-100吨
TNT，建筑物距爆心为1-2公里，用CFD获得的建筑物各计算点的超压历程与观察到的建筑
物受损情况十分吻合。目前这一研究小组正在利用已取得的研究成果探索爆炸波对三维
物体的冲击效应(包括爆炸波与运动物体的相互作用)，这也是国际上CFD正在发展的一个
方面。 四、结束语 无论是当前和将来，国家级的地面实验装置和少量的飞行试验仍是
型号研制中不可缺少的。然而充分应用以精细实验为基础的CFD技术将会使现有的各类脉
冲式地面实验装置获得难以估量的效益，从而大大减少工程研制费用和周期。

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