“吹”出來的載人航天-從風洞試驗到計算機仿真-mir2

“吹〞出來的載人航天一一從風洞試驗到計算機仿真導語：載人航天確實不是吹出來的，從前期準備到后期返回艙平安歸來，都是復雜的技術活兒?！帮L洞試驗〞這個如今大家并不陌生的技術名詞，在載人航天的“前前后后〞都起到了不小的作用。先定個義：風洞是一種人工產(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環(huán)境中與氣流的相互作用，觀察并記錄物體所受氣動力的各項參數(shù)：如飛行器外表的動壓、靜壓，飛行器的迎風阻力和誘導阻力，機翼的升力等。由于要產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，風洞都設計為管狀用以維持氣流流向【載人航天那些地方需要風洞試驗？】載人航天任務中所需的氣動力和氣動熱數(shù)據(jù)，主要都是依靠地面風洞試驗和計算空氣動力學這兩個手段獲得。這些數(shù)據(jù)，涵蓋了運載火箭和返回艙在大氣中從低速到高速的各種運動狀態(tài)：從運開始：當神舟船箭組合體由活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)運時，火箭會受到風的吹襲，進而產(chǎn)生振動和晃動甚至會導致火箭傾倒。這就需要把火箭縮比模型放入低度風洞中模擬近地風場對火箭的作用進而得出火箭所能承受的最大風速， 為船箭組合體轉(zhuǎn)運提供數(shù)據(jù)支持。

〔長征2F風載試驗〕飛在天上：運載火箭在飛行過程中，由于程序轉(zhuǎn)彎會與高空氣流形成大攻角，進而影響火箭的穩(wěn)定飛行和入軌精度。什么時間轉(zhuǎn)彎，每次轉(zhuǎn)彎多少度，這都需要風洞試驗，這個最容易理解?；氐降孛妫寒斏裰埏w船返回艙翻開主減速傘后，返回艙的下落速度大大降低。此時，返回艙與減速傘構成一個動力學系統(tǒng)，風吹減速傘會導致返回艙搖擺可能會把航天員“晃暈了〞；返回艙著陸后如果不及時切傘，減速傘會在風中拖著返回艙滾動，也可能把航天員“滾傷了〞。因此提前在風洞中試一試很重要。

〔返回艙風洞模型〕【舉兩個例子】1.長征2F運載火箭飛行至高層大氣時的速度按照海平面聲速折算成馬赫數(shù)可到達10Ma，此時的氣動載荷和箭體受熱需要在高超聲速風洞中通過模擬試驗計算。航天科技集團公司第701研究所研制的FD-02高超音速風洞成功的獲

取了神舟逃逸系統(tǒng)在高速狀態(tài)下的氣動特性，為航天員主動段逃生提供了有力保障。2.返回艙再入大氣層時的速度超過23Ma，如此高的速度下返回艙將受到巨大的氣動載荷和氣動加熱。我國的FD-04高超音速電弧風洞就是模擬返回艙所受熱流的試驗設備，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成和厚度提供了設計依據(jù)。m汗〞2果殼網(wǎng)guokr

〔返回艙電弧風洞試驗〕【載人航天除了“吹〞，還得“算〞】在風洞中“吹吹風〞對于載人航天不可或缺，但也存在一些問題。風洞雖然能近似于實際的模擬出航天器的各種飛行狀態(tài)，但風洞造價高昂、試驗準備時間長、耗電量巨大。我國于1999年投用的2.4mx2.4m跨聲速風洞的建造總費用達1.8億元人民幣，僅洞體一項就用去了近1億元。綿陽風洞群的運行也使當?shù)仉娏┙o長期緊張，影響到了周邊居民的生活。0PINmrii■■■■■I；：：：：!0PINmrii■■■■■I；：：：：!亠Jifl〔2.4米x2.米風洞試驗大廳〕隨著計算機技術的迅速開展，使用計算機進行大量數(shù)值運算來求解空氣動力學方程式成為可能。利用數(shù)值法以及計算流體力學方法，可以求出非線性偏微分方程的數(shù)值解，得到所需要的各種數(shù)據(jù)，從而有效回避了風洞的缺點，顯著降低了實驗本錢?！卜祷嘏摲抡嬖囼灐?021年，中國載人航天工程總體仿真實驗室由中國載人航天工程辦公室和聯(lián)想集團共同建立。在進行物理風洞實驗前，實驗室的計算時機建立一個集流體動力學計算、可視化以及三維交互等功能于一體的虛擬風洞模型，在理論計算和分析的根底上動態(tài)模擬分型部件在風洞中的實際情況，從而不斷修改、優(yōu)化部件形態(tài)。這個過程中，后臺ThinkServer效勞器需要進行高負荷的密集運算來模擬物理風洞實驗的條件，而前臺的ThinkStation工作站進行實時渲染，生成可