“吹”出來(lái)的載人航天-從風(fēng)洞試驗(yàn)到計(jì)算機(jī)仿真-mir2

“吹〞出來(lái)的載人航天一一從風(fēng)洞試驗(yàn)到計(jì)算機(jī)仿真導(dǎo)語(yǔ)：載人航天確實(shí)不是吹出來(lái)的，從前期準(zhǔn)備到后期返回艙平安歸來(lái)，都是復(fù)雜的技術(shù)活兒?！帮L(fēng)洞試驗(yàn)〞這個(gè)如今大家并不陌生的技術(shù)名詞，在載人航天的“前前后后〞都起到了不小的作用。先定個(gè)義：風(fēng)洞是一種人工產(chǎn)生并控制氣流的裝置，用于模擬飛行器或其他物體在真實(shí)環(huán)境中與氣流的相互作用，觀察并記錄物體所受氣動(dòng)力的各項(xiàng)參數(shù)：如飛行器外表的動(dòng)壓、靜壓，飛行器的迎風(fēng)阻力和誘導(dǎo)阻力，機(jī)翼的升力等。由于要產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，風(fēng)洞都設(shè)計(jì)為管狀用以維持氣流流向【載人航天那些地方需要風(fēng)洞試驗(yàn)？】載人航天任務(wù)中所需的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)，主要都是依靠地面風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)這兩個(gè)手段獲得。這些數(shù)據(jù)，涵蓋了運(yùn)載火箭和返回艙在大氣中從低速到高速的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：從運(yùn)開(kāi)始：當(dāng)神舟船箭組合體由活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，火箭會(huì)受到風(fēng)的吹襲，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng)和晃動(dòng)甚至?xí)?dǎo)致火箭傾倒。這就需要把火箭縮比模型放入低度風(fēng)洞中模擬近地風(fēng)場(chǎng)對(duì)火箭的作用進(jìn)而得出火箭所能承受的最大風(fēng)速， 為船箭組合體轉(zhuǎn)運(yùn)提供數(shù)據(jù)支持。

〔長(zhǎng)征2F風(fēng)載試驗(yàn)〕飛在天上：運(yùn)載火箭在飛行過(guò)程中，由于程序轉(zhuǎn)彎會(huì)與高空氣流形成大攻角，進(jìn)而影響火箭的穩(wěn)定飛行和入軌精度。什么時(shí)間轉(zhuǎn)彎，每次轉(zhuǎn)彎多少度，這都需要風(fēng)洞試驗(yàn)，這個(gè)最容易理解?；氐降孛妫寒?dāng)神舟飛船返回艙翻開(kāi)主減速傘后，返回艙的下落速度大大降低。此時(shí)，返回艙與減速傘構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，風(fēng)吹減速傘會(huì)導(dǎo)致返回艙搖擺可能會(huì)把航天員“晃暈了〞；返回艙著陸后如果不及時(shí)切傘，減速傘會(huì)在風(fēng)中拖著返回艙滾動(dòng)，也可能把航天員“滾傷了〞。因此提前在風(fēng)洞中試一試很重要。

〔返回艙風(fēng)洞模型〕【舉兩個(gè)例子】1.長(zhǎng)征2F運(yùn)載火箭飛行至高層大氣時(shí)的速度按照海平面聲速折算成馬赫數(shù)可到達(dá)10Ma，此時(shí)的氣動(dòng)載荷和箭體受熱需要在高超聲速風(fēng)洞中通過(guò)模擬試驗(yàn)計(jì)算。航天科技集團(tuán)公司第701研究所研制的FD-02高超音速風(fēng)洞成功的獲

取了神舟逃逸系統(tǒng)在高速狀態(tài)下的氣動(dòng)特性，為航天員主動(dòng)段逃生提供了有力保障。2.返回艙再入大氣層時(shí)的速度超過(guò)23Ma，如此高的速度下返回艙將受到巨大的氣動(dòng)載荷和氣動(dòng)加熱。我國(guó)的FD-04高超音速電弧風(fēng)洞就是模擬返回艙所受熱流的試驗(yàn)設(shè)備，以此得出的返回艙總熱流量、熱載荷等數(shù)據(jù)為返回艙防熱材料的構(gòu)成和厚度提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。m汗〞2果殼網(wǎng)guokr

〔返回艙電弧風(fēng)洞試驗(yàn)〕【載人航天除了“吹〞，還得“算〞】在風(fēng)洞中“吹吹風(fēng)〞對(duì)于載人航天不可或缺，但也存在一些問(wèn)題。風(fēng)洞雖然能近似于實(shí)際的模擬出航天器的各種飛行狀態(tài)，但風(fēng)洞造價(jià)高昂、試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、耗電量巨大。我國(guó)于1999年投用的2.4mx2.4m跨聲速風(fēng)洞的建造總費(fèi)用達(dá)1.8億元人民幣，僅洞體一項(xiàng)就用去了近1億元。綿陽(yáng)風(fēng)洞群的運(yùn)行也使當(dāng)?shù)仉娏┙o長(zhǎng)期緊張，影響到了周邊居民的生活。0PINmrii■■■■■I；：：：：!0PINmrii■■■■■I；：：：：!亠Jifl〔2.4米x2.米風(fēng)洞試驗(yàn)大廳〕隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速開(kāi)展，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)值運(yùn)算來(lái)求解空氣動(dòng)力學(xué)方程式成為可能。利用數(shù)值法以及計(jì)算流體力學(xué)方法，可以求出非線(xiàn)性偏微分方程的數(shù)值解，得到所需要的各種數(shù)據(jù)，從而有效回避了風(fēng)洞的缺點(diǎn)，顯著降低了實(shí)驗(yàn)本錢(qián)。〔返回艙仿真試驗(yàn)〕2021年，中國(guó)載人航天工程總體仿真實(shí)驗(yàn)室由中國(guó)載人航天工程辦公室和聯(lián)想集團(tuán)共同建立。在進(jìn)行物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算時(shí)機(jī)建立一個(gè)集流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算、可視化以及三維交互等功能于一體的虛擬風(fēng)洞模型，在理論計(jì)算和分析的根底上動(dòng)態(tài)模擬分型部件在風(fēng)洞中的實(shí)際情況，從而不斷修改、優(yōu)化部件形態(tài)。這個(gè)過(guò)程中，后臺(tái)ThinkServer效勞器需要進(jìn)行高負(fù)荷的密集運(yùn)算來(lái)模擬物理風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的條件，而前臺(tái)的ThinkStation工作站進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，生成可