摘要：本文簡要介紹了美國國家全尺寸空氣動力設施（NFAC）的發(fā)展簡況，重點梳理近兩年來NFAC開展的試驗研究工作。在航空試驗研究方面，開展了高速直升機、新型傾轉旋翼、空中加油裝置和翼型傘試驗；在航天試驗研究方面，開展了2020火星漫游器降落傘系統(tǒng)試驗；在試驗技術方面，針對全模、半模、車輛試驗改進和拓展洞壁干擾修正技術；在設備建設方面，開展了傾轉旋翼試驗臺高速和聲學性能測試。研究表明，全尺寸亞聲速風洞在航空航天飛行器研制中具有不可替代的作用。通過本文研究，可以為國內未來全尺寸亞聲速風洞試驗技術研究發(fā)展提供參考。

關鍵詞：國家全尺寸空氣動力設施；全尺寸風洞；旋翼機；降落傘

中圖分類號：V211文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.001

美國國家全尺寸空氣動力設施（NFAC）是世界上僅存的兩座全尺寸亞聲速地面試驗設備之一，被視為空氣動力試驗研究的重要戰(zhàn)略資源。著名的F-35先進戰(zhàn)斗機、V-22傾轉旋翼機、UH-60直升機和航天飛機等都曾在NFAC進行空氣動力或綜合性試驗研究。2018年以來，NFAC在試驗設備配套、試驗技術發(fā)展和航空航天飛行器試驗研究方面展現(xiàn)出新的活力。

本文歸納總結NFAC開展的新型號試驗研究、新試驗技術發(fā)展，以及新旋翼試驗臺建設，以便航空航天等領域科研人員更好地認知全尺寸亞聲速風洞的作用，促進我國未來大型風洞試驗設備和技術的發(fā)展。

1 NFAC發(fā)展簡況

NFAC是世界最大的風洞，其設計建設的初衷是用于全尺寸或大縮尺比固定翼飛機、短距/垂直起降飛機、直升機和傾轉旋翼機氣動特性試驗研究，建成后也用于航天器、降落傘和大型車輛等航天和工業(yè)空氣動力學試驗研究。NFAC由40ft×80ft（12m×24m）回流式風洞和80ft×120ft（24m×37m）直流式風洞組成，前者建成于20世紀40年代，后者是利用40ft×80ft風洞動力段和部分洞體回路，于20世紀80年代改造擴建而成。因此，NFAC是由兩座連體全尺寸風洞構成的空氣動力設施，它位于美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心?？v觀NFAC建成后承擔的試驗任務，絕大多數(shù)是NASA和軍方的試驗研究項目，NFAC的運行經(jīng)費主要靠NASA財政預算維持。2003—2006年，因NASA旋翼機項目取消和財政預算減少，NFAC難以維持正常運行而關停。后經(jīng)美國國防部評估，該風洞是旋翼機試驗的首要設備，對武器裝備發(fā)展至關重要。因此，美國空軍與NASA簽署了25年的NFAC租賃合同。按照合同，NASA仍擁有NFAC的所有權，并提供保障服務和技術支持；美國空軍阿諾德工程發(fā)展綜合體（AEDC）掌管NFAC的運營。2007年，NFAC經(jīng)維修和更新測試設備后重新啟用。2018年以來，在NASA的技術支持和AEDC的運行管理下，NFAC在新型航空航天器研制、試驗技術發(fā)展和設備配套中展現(xiàn)出新的活力。

2新型航空飛行器試驗研究

2.1高速直升機試驗研究

NFAC是直升機和傾轉旋翼機試驗研究的首要試驗設備，美國陸軍一直在致力于下一代高速直升機的研制，這是美國軍方接手管理該全尺寸風洞最主要的原因。2019年上半年，NFAC完成了SB>1 DEFIANTTM軍用高速直升機試驗，并獲評AEDC 2019年度試驗。SB>1 DEFIANTTM是西科斯基和波音公司聯(lián)合研制的一個中型多用途驗證機[1]，未來將有攻擊型和運輸型等多種軍用型號。該項目屬于美國陸軍聯(lián)合多用途技術驗證飛行器計劃，SB>1 DEFIANTTM驗證機氣動布局采用的是西科斯基公司“X2 TechnologyTM”高速直升機布局，主要布局特點是采用升力偏置共軸旋翼系統(tǒng)和尾部推進器，以獲取高速飛行能力（見圖1（a））。風洞試驗模型縮尺比為1∶5，模擬了帶動力的主旋翼，沒有模擬尾部推進器（見圖1（b））。試驗的目的是驗證該布局氣動性能和飛行力學問題。試驗測量了旋翼各部件力和力矩，包括機身、尾部和旋翼表面壓力[2]。

2.2下一代傾轉旋翼機試驗研究

傾轉旋翼機是介于直升機與固定翼飛機之間的一種氣動布局飛行器，是解決垂直起降、高速巡航的一種有效方案，美國V-22“魚鷹”就是現(xiàn)役的軍用傾轉旋翼機。近幾年來，美國正在發(fā)展下一代軍用傾轉旋翼機和民用傾轉旋翼機[3]。2019年，NFAC的傾轉旋翼試驗臺（TTR）團隊完成了第一個民用傾轉旋翼系統(tǒng)的全包線氣動性能評估，該系統(tǒng)在2020年進入商業(yè)應用。TTR團隊的出色工作獲得了美國垂直升力協(xié)會的認可，并獲得富蘭克林獎。除此之外，開展了全尺寸“699”研究旋翼的試驗，該旋翼由貝爾直升機公司的AW609旋翼演變而來，是一種三槳葉旋翼系統(tǒng)，旋翼直徑8m，槳葉采用非線性扭轉和方翼尖構型。在40ft×80ft（12m×24m）風洞中開展了盤旋、巡航（飛機模態(tài)）、轉換（45°偏轉）、直升機模態(tài)（90°偏轉）下的試驗研究，在60種旋翼槳尖速度、偏轉角和風洞速度組合條件下，取得了1554個旋翼數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)，風洞最大試驗風速達到140m/s。圖2給出了傾轉旋翼45°偏轉、前進比μ=0.200～0.299、風速47～ 70m/s下的動力和拉力關系試驗結果[4]。

2.3空中加油氣動裝置試驗研究

NFAC所具有的特大型試驗段使其可以進行一般風洞無法進行的非常規(guī)試驗，如驗證飛機表面的主動流動控制裝置、在風洞中射出傘包模擬航天減速器開傘、改善風擋可視性的噴水試驗等。2019年，NFAC開展了全尺寸空中加油/監(jiān)視系統(tǒng)風洞試驗[5]，該試驗研究來自海軍研究辦公室資助的兩個“小商業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）項目，全尺寸試驗模型包括集成的主動穩(wěn)定授油錐系統(tǒng)和光學參考系統(tǒng)（見圖3）。主動穩(wěn)定授油錐系統(tǒng)設計有一對電機驅動的可旋轉的鋁套，鋁套上有成對配置的空氣動力邊條，通過控制鋁套旋轉產(chǎn)生的升力和滾轉力矩抵消授油錐受氣流擾動產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。光學參考系統(tǒng)實時提供授油管、授油錐和受油嘴位置，由高解析度的照相機、圖像處理算法和數(shù)據(jù)存儲器組成。整個全尺寸加油/監(jiān)視系統(tǒng)通過在NFAC中試驗，驗證了技術的有效性。

2.4翼型傘試驗研究

美國陸軍單兵MC-4/5沖壓空氣式翼型傘在NFAC的80ft×120ft（24m×37m）風洞進行了三個型號的全尺寸試驗[6]，它們分別是新型的P61087和現(xiàn)役的SLX29266及M4C13544（見圖4（a））。MC-4/5沖壓空氣式翼型傘由14個前緣開口的翼盒構成，采用Lissaman 7808翼型，弦長4m，展長9m。在翼型傘中間翼盒的上下傘衣上布置有供照相測量用的靶標，通過照相測量技術可以估算翼盒的充氣狀態(tài)和迎角，在風洞地板和天花板上安裝有5個照相機（見圖4（b）），靶標測量的不確定度約為25mm。試驗采用六軸載荷測量裝置測量翼型傘力和力矩。試驗研究了翼型傘后緣調整片、風速、迎角組合條件下的翼型傘特性。試驗表明，新型翼型傘在相同試驗條件下，升力略有增加。

3航天降落傘試驗研究

3.1低密度超聲速減速器試驗研究

低密度超聲速減速器（LDSD）是為進入火星大氣大載荷飛行器設計的減速器系統(tǒng)，它包括一個充氣空氣動力減速器和一個超聲速降落傘。NFAC進行了6種類型13個傘衣的試驗研究[7]，試驗目的是研究不同傘形設計的阻力和穩(wěn)定性平衡問題。傘模型尺寸是全尺寸的38.7%，模型傘衣的名義直徑為11.8m，傘繩長度約20m。NFAC的80ft×120ft（24m×37m）風洞可以允許傘模型在試驗中有橫向±30°、垂直方向±20°的偏角變化（見圖5（a））。模型傘衣上縫制了測量靶點（見圖5（b）），通過照相機拍攝，計算傘位置的變化。照相機型號Dalsa 4M60（見圖5（c）），拍攝頻率60Hz，由數(shù)字信號發(fā)生器觸發(fā)拍攝。

3.2艙傘組合系統(tǒng)試驗研究

艙傘組合系統(tǒng)（CPAS）試驗模型類似于LDSD，傘模型尺寸是全尺寸的35%，模型傘的名義直徑為12.4m，傘衣上縫制有拍攝靶標[8（]見圖6（a））。試驗目的是測量傘自由振蕩特性和傘形狀變化。如圖6（b）所示，通過風洞轉盤和洞壁系留繩使傘預置一個20°偏角，在靜態(tài)升力、阻力數(shù)據(jù)采集后，釋放系留繩，測量傘自由振蕩數(shù)據(jù)。圖6（c）給出了傘的振蕩幅度和三個試驗拍攝照相機的位置。

3.3 InSight任務試驗研究

InSight是采用地震學研究、大地測量學和熱傳輸進行火星內陸探索任務的英文縮寫。試驗模型是全尺寸DGB（盤-縫-環(huán)）傘（見圖7（a）），傘名義直徑為11.8m，傘衣采用“Z形”和“準風琴”兩種折疊方法裝于傘包中。試驗目的是研究拋射開傘動態(tài)特性。試驗采用Dalsa 4M60s和Phantom v641高速照相機進行了兩組10次拋射，記錄了傘包射出到傘繩拉直（見圖7（b））、傘從傘包拉出（見圖7（c））及傘衣充氣打開的全過程。測量了傘衣上動壓，研究了傘折疊方法的影響。

3.4“火星2020”降落傘試驗研究

“火星2020”降落傘是“火星2020”任務的全尺寸降落傘制作工藝驗證試驗，是NASA火星探索計劃的一部分[9]。傘的名義直徑為21.5m（見圖8（a）），試驗了先鋒航空航天公司和空中系統(tǒng)公司的兩個產(chǎn)品。由于傘的尺寸、傘繩長度和軸向載荷較上述幾個試驗大得多，因此采用了加強的三支柱支撐。試驗時傘實際處于擴散段中，因此在試驗段和擴散段中安裝了多個高速照相機拍攝試驗過程（見圖8（b））。試驗對比分析了拋射開傘法和“袖筒”開傘法，給出了不同動壓條件下的試驗結果。“袖筒”開傘法，即傘包裹在細長的“袖筒”中，并沿風洞中心線拉直，試驗時剪斷拉伸線，傘從“袖筒”中拉出，充氣張開。

4風洞試驗技術和設備測試

4.1洞壁干擾修正技術拓展

NFAC巨大的試驗段可以提供全尺寸或大尺度模型試驗，能夠有效減少模型縮尺效應對風洞試驗數(shù)據(jù)的影響。然而，洞壁干擾效應對大尺度模型的影響是一個不可忽視的問題。NFAC風洞已經(jīng)建立有全尺寸飛機模型洞壁干擾修正技術，2017年發(fā)展了直升機/旋翼模型修正技術[10]。近兩年，結合開展的型號試驗研究，對已有洞壁干擾修正技術進行了改進和拓展。

在NFAC的40ft×80ft（12m×24m）風洞，針對飛機全模型試驗，在原4排壁壓孔（見圖9中A、B、C、D）基礎上，增加了天花板兩排（見圖9（a）中E、F）壁壓孔，改進了流向角、堵塞度和浮阻的修正能力；發(fā)展了飛機半模型天花板4排測壓孔（見圖9（b）中E、F、G、H）壁壓修正法。

在NFAC的80ft×120ft（24m×37m）風洞，除已具備的固定翼飛機和降落傘試驗數(shù)據(jù)修正方法外（采用三排壁壓測量孔，每排21個孔），結合多個大型卡車車型實車試驗，發(fā)展了針對地板安裝模型的數(shù)據(jù)修正法（見圖10）。由于車輛地板安裝位置低，洞壁兩側的壁壓數(shù)據(jù)對修正失效，因此，發(fā)展了采用天花板上單排壁壓數(shù)據(jù)結合鏡像技術的壁壓修正法，試驗修正結果與其他驗證方法結果比較表明，卡車試驗數(shù)據(jù)的堵塞度和浮阻修正合理[11]。

4.2傾轉旋翼試驗臺測試

為了滿足21世紀傾轉旋翼和其他先進旋翼機概念研究需要，NASA、美國陸軍和空軍出資3000萬美元，由貝爾直升機公司和勝利航空航天系統(tǒng)公司聯(lián)合研制了NFAC專用的傾轉旋翼試驗臺（TTR）[12]。2007年，TTR開始設計加工，設計指標要求能夠試驗直徑8m全尺寸傾轉旋翼，滿足飛機模態(tài)最大速度約150m/s、旋翼傾轉模態(tài)最大速度約90m/s、直升機模態(tài)最大速度約75m/s的試驗需求[13]。2015年TTR完成制作和旋翼天平的校準工作。

2018年底以來，TTR被安裝到NFAC 40ft×80ft（12m×24m）風洞進行測試試驗工作。TTR使用全尺寸貝爾“699”旋翼模型，開展了飛機模態(tài)最大飛行速度試驗和聲學試驗（見圖11）。試驗的目的是進一步完善TTR系統(tǒng)與NFAC風洞系統(tǒng)的集成。試驗速度達到了140m/s，這是迄今為止全尺寸旋翼風洞試驗的最高紀錄。還進行了試驗臺空氣動力、驅動電機、熱效應、模態(tài)振動等檢驗測試工作。開展了TTR氣動聲學測試，驗證其聲學試驗能力[14]。試驗在風洞地板和測量支架上各安裝了兩個麥克風，采集不同試驗狀態(tài)的聲學數(shù)據(jù)。通過測量直升機模態(tài)下旋翼槳渦干擾噪聲，并與以前試驗數(shù)據(jù)比較，研究TTR聲學試驗特性，為未來進一步驗證研究積累了數(shù)據(jù)。

4.3風洞動力葉片損壞的應急處理方法

2017年6月，NFAC經(jīng)歷了一次運行事故，洞壁脫落的壁板損壞了一個動力電機上的15個葉片。NFAC動力系統(tǒng)有6個電機，每個電機帶動由15個木制葉片構成的風扇產(chǎn)生風洞氣流，風扇直徑約12m，每個風扇葉片長約4m。加工新的風扇葉片需要較長的時間，為了能盡快恢復風洞運行條件，風洞技術人員采用了一種減少風扇葉片運行的暫時處理方法。該方法將未受損的5個電機上的葉片各卸下三片（每間隔4片卸1片，見圖12），共計卸下15片，用其中12片安裝在受損電機上，剩余三片備用[15]。此方法盡管使風洞能達到的最大風速有所降低，但不失為一個有效的、能盡量減少風洞維修停運影響的方法。2018年，風洞恢復運行，目前，NFAC仍采用這種應急動力狀態(tài)進行試驗運行。

5結束語

綜上所述，全尺寸亞聲速風洞在直升機和旋翼機研制中依然是首選地面試驗設備，能顯著降低研制風險，提高研制效率。在航空航天降落傘、飛機空中加油系統(tǒng)等特殊模型試驗中，全尺寸風洞能夠完成尚無很好縮尺方法、必須采用全尺寸部件進行的一些試驗。在美國NASA提供技術支持和空軍AEDC負責運營的新管理模式下，新型高速直升機和傾轉旋翼機試驗研究成為NFAC重點發(fā)展方向，新研制的TTR試驗臺完成測試，已經(jīng)形成試驗能力，并完成首個民用傾轉旋翼機的試驗工作。NFAC兩個巨大的試驗段和高風速試驗能力，在航空航天降落傘、特種航空系統(tǒng)試驗和工業(yè)空氣動力學試驗方面發(fā)揮著獨特的作用。結合開展的全模型、半模型和車輛模型試驗研究，NFAC拓展了各類型模型洞壁干擾修正技術，提高了全尺寸或大尺度模型試驗數(shù)據(jù)的準確性，為更好地發(fā)揮全尺寸風洞能力優(yōu)勢奠定了基礎。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

戰(zhàn)培國（1963-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：空氣動力試驗。

Tel：0816-2461240

E-mail：zpg63@163.com

Review of American National Full-scale Aerodynamics Complex Developments

Zhan Peiguo*

Low-speed Aerodynamics Research Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Abstract： This paper introduces the transfer of National Full-Scale Aerodynamics Complex （NFAC） briefly， highlights on the test and research progress in NFAC， such as aeronautical testing on high speed helicopter/new tiltrotor/ refueling system/ram-air parachute， astronautical testing on Mars 2020 rover parachute system， wall interference effects correction technique for full-span， semi-span model and automotive configurations， performance testing of Tiltrotor Test Rig （TTR） on high-speed and acoustics.The research shows that full-scale subsonic wind tunnels have irreplaceable special effects in aeronautical and astronautical vehicles development. The purpose is to provide references for domestic full-scale subsonic wind tunnel and technique development.

Key Words： NFAC； full-scale wind tunnel； rotorcraft； parachute