賴歡，祝長江, ，陳萬華，廖達(dá)雄, ，孫德文

1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計與測試技術(shù)研究所， 綿陽 621000

2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空氣動力學(xué)國家重點實驗室， 綿陽 621000

0 引 言

隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，大型客機、大型運輸機、遠(yuǎn)程作戰(zhàn)飛機、先進(jìn)戰(zhàn)斗機、天地往返運輸系統(tǒng)和探月工程等一系列航空航天工程對我國風(fēng)洞高雷諾數(shù)模擬能力提出了更新更高的要求。雷諾數(shù)的模擬是衡量風(fēng)洞模擬能力的重要參數(shù)，低溫風(fēng)洞是工程上實現(xiàn)高雷諾數(shù)模擬的有效途徑。建設(shè)大型生產(chǎn)型低溫風(fēng)洞，將大幅度提升我國大型客機等飛行器的精細(xì)化設(shè)計水平，進(jìn)一步拓展和提升我國空氣動力學(xué)綜合研究能力。

大型低溫風(fēng)洞的建設(shè)是一項集空氣動力學(xué)、熱力學(xué)、材料學(xué)、低溫工程、測控理論等多學(xué)科的復(fù)雜研制項目，建設(shè)周期長、技術(shù)盲點多，國內(nèi)沒有可借鑒的工程經(jīng)驗，其設(shè)計和建設(shè)的難度較大。自20世紀(jì)70年代以來，國外已建成20多座低溫風(fēng)洞。德國的大型低速低溫風(fēng)洞（KKK）、美國的國家跨聲速設(shè)備（NTF）和歐洲四國（英國、法國、德國、荷蘭）共建的低溫跨聲速風(fēng)洞（ETW）在設(shè)計階段均開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，著力解決低溫運行對風(fēng)洞帶來的影響。與常規(guī)風(fēng)洞不同，低溫風(fēng)洞運行溫度低且溫差大（77～323 K），經(jīng)受風(fēng)洞冷卻、恒溫試驗、風(fēng)洞回溫及試驗段溫度快速改變等復(fù)雜工況，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，且因溫度場的不均勻和傳熱滯后，結(jié)構(gòu)熱變形呈現(xiàn)動態(tài)變化的特點。結(jié)構(gòu)熱變形不僅影響洞體結(jié)構(gòu)安全和功能，也會影響氣動輪廓和性能，因此必須對結(jié)構(gòu)熱變形進(jìn)行有效控制。

20世紀(jì)90年代，中國空氣動力研究與發(fā)展中心（CARDC）設(shè)計建成0.1 m×0.1 m低速低溫風(fēng)洞，開始對低溫風(fēng)洞運行原理及流程進(jìn)行探索性研究。進(jìn)入21世紀(jì)，飛行器高雷諾數(shù)地面模擬需求日趨緊迫，CARDC啟動了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)論證工作，廖達(dá)雄等對大型低溫高雷諾數(shù)風(fēng)洞建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，提出了流動控制、洞體機械系統(tǒng)設(shè)計、動力系統(tǒng)研發(fā)、多變量控制技術(shù)等攻關(guān)方向。2015年，其團隊設(shè)計建成了我國第一座工程用0.3 m量級低溫高雷諾數(shù)連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞，利用該平臺持續(xù)開展了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究。2017年，中國科學(xué)基金會舉辦“雙清論壇”，研討“大型風(fēng)洞設(shè)計建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問題”，提出了大型低溫風(fēng)洞建設(shè)中多場耦合振動特性機理、寬溫域金屬/復(fù)合材料性能、絕熱保溫、智能制造和試驗技術(shù)的研究需求和發(fā)展目標(biāo)。

洞體機械系統(tǒng)作為實現(xiàn)大型低溫風(fēng)洞主體功能的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能集成度高，可承受寬溫域、交變壓力和振動等特性。本文通過對國外大型低溫風(fēng)洞設(shè)計建設(shè)歷史的回顧，結(jié)合國內(nèi)低溫工程的技術(shù)現(xiàn)狀，分析我國大型低溫風(fēng)洞洞體機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，提出其關(guān)鍵技術(shù)及解決措施，為大型低溫風(fēng)洞洞體機械系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)提供攻關(guān)方向和設(shè)計參考。

1 國外低溫風(fēng)洞研制歷程概述

國外低溫風(fēng)洞的研制遵循“原理性研究→小型引導(dǎo)性風(fēng)洞設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)→大型工程化建設(shè)”的過程。1870年，英國海運工程師Francis H.Wenham在英國格林威爾建成了一座概念性的低溫風(fēng)洞，隨后的100年間，歐美的空氣動力學(xué)研究人員一直致力于獲得低溫試驗氣體的研究。1971年，蘭利中心的Michael Goodyer及其團隊將垂直起降風(fēng)洞的模型縮比風(fēng)洞改造成低溫風(fēng)洞，并于1972年1月進(jìn)行了首次低溫風(fēng)洞試驗，通過直接噴入液氮的方法將風(fēng)洞溫度穩(wěn)定在80～333 K，證實了低溫風(fēng)洞概念的有效性和實際可行性。在此基礎(chǔ)上，蘭利研究中心于1972年12月開始設(shè)計建設(shè)引導(dǎo)性跨聲速低溫風(fēng)洞（TCT），1973年10月該風(fēng)洞開始運行，驗證了低溫風(fēng)洞在跨聲速和6個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下運行的有效性，并利用該風(fēng)洞進(jìn)行了一系列高雷諾數(shù)氣動試驗。連續(xù)式低溫風(fēng)洞（圖1）區(qū)別于常規(guī)連續(xù)式風(fēng)洞有以下特點：1）低溫風(fēng)洞采用壓力泵將液氮從儲罐輸送到液氮噴嘴，通過液氮汽化吸收壓縮機做功產(chǎn)生的熱量和洞體外部傳入的熱量；2）設(shè)置排氣裝置，將液氮汽化產(chǎn)生的氮氣與常溫空氣混合后排入大氣，從而實現(xiàn)風(fēng)洞回路總壓的穩(wěn)定控制。通過理論研究和實踐，歐美的風(fēng)洞研究人員越來越認(rèn)識到低溫風(fēng)洞的優(yōu)越性。

圖1 低溫風(fēng)洞原理圖Fig.1 Schematic of cryogenic wind tunnel

1.1 NTF風(fēng)洞設(shè)計建設(shè)簡介

美國國家跨聲速風(fēng)洞（NTF）的建設(shè)主要是為了解決飛行雷諾數(shù)模擬能力不足的問題。該風(fēng)洞具備常溫和低溫兩種運行模式，常溫運行時采用空氣作為試驗介質(zhì)，通過水冷換熱器進(jìn)行降溫；低溫運行時通過液氮進(jìn)行換熱。因此，在設(shè)計階段，NTF面臨著諸多必須解決的關(guān)鍵難題。例如，要維持風(fēng)洞低溫運行，必須持續(xù)不斷地將液氮注入風(fēng)洞回路進(jìn)行換熱以抵消風(fēng)扇做功產(chǎn)生的熱量。NTF風(fēng)扇軸功率約101 MW，因此必須要解決好液氮的穩(wěn)定供給和流量精確調(diào)節(jié)的問題。蘭利中心的科研人員通過引導(dǎo)風(fēng)洞（TCT）的設(shè)計、建設(shè)和調(diào)試，逐步了解并掌握了低溫風(fēng)洞相關(guān)技術(shù)難點，在NTF建設(shè)時將液氮供給、排氣冷量控制及回收、洞體絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及風(fēng)洞運行控制技術(shù)作為NTF風(fēng)洞設(shè)計和建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。在洞體機械系統(tǒng)方面，開展了低溫材料沖擊韌性、表面硬化工藝、動密封等方面的研究，并利用TCT風(fēng)洞對初步設(shè)計方案進(jìn)行了驗證和優(yōu)化。

1.2 ETW風(fēng)洞設(shè)計建設(shè)簡介

歐洲跨聲速風(fēng)洞（ETW）是由英國、法國、德國以及荷蘭聯(lián)合建設(shè)的一座先進(jìn)的低溫高雷諾數(shù)跨聲速風(fēng)洞。在20世紀(jì)80年代開展了一系列低溫技術(shù)和設(shè)備（包括動力系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備）研究。ETW的設(shè)計得到了NTF設(shè)計團隊的技術(shù)支持，在風(fēng)洞概念設(shè)計階段，ETW設(shè)計團隊主要針對如何獲得一流的風(fēng)洞流場品質(zhì)、提高試驗效率、降低液氮消耗等方面提出了風(fēng)洞的建設(shè)計劃及關(guān)鍵技術(shù)。ETW設(shè)計團隊將風(fēng)洞洞體的絕熱保溫、低溫壓縮機、試驗段技術(shù)、二喉道技術(shù)、模型支撐、系統(tǒng)更換及模型更換間溫控等作為ETW風(fēng)洞建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。為此，該團隊專門設(shè)計建設(shè)了歐洲跨聲速風(fēng)洞引導(dǎo)性風(fēng)洞（PETW），著力解決相關(guān)技術(shù)難題，并在后期持續(xù)開展低溫試驗技術(shù)和風(fēng)洞性能提升的研究工作。

2 國內(nèi)低溫風(fēng)洞建設(shè)工業(yè)基礎(chǔ)

大型低溫風(fēng)洞作為一個國家的重要基礎(chǔ)研究試驗裝備，必須依托于國內(nèi)的工業(yè)基礎(chǔ)，國內(nèi)深冷行業(yè)的技術(shù)實力是大型低溫風(fēng)洞建設(shè)的重要技術(shù)保障。

2.1 低溫材料現(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，低溫鋼的研發(fā)和應(yīng)用備受重視。目前，低溫鋼主要應(yīng)用于液化天然氣（LNG）、化工儲槽和航空航天等領(lǐng)域。大型LNG運輸船、低溫儲罐多采用鎳（Ni）系低溫鋼。國產(chǎn)的Ni系低溫鋼具有較好的低溫綜合性能，通過調(diào)質(zhì)和淬火等工藝處理，能有效提高其低溫沖擊韌性，滿足110 K以上低溫容器用鋼要求。

在低溫下，奧氏體不銹鋼具有良好的低溫沖擊韌性，因此，它是低溫工況下的理想材料。國內(nèi)空分設(shè)備、航空航天推進(jìn)劑地面儲存設(shè)備中，液氮（77 K）、液氫（20 K）以及液氦（2 K）等的大型儲運設(shè)備均采用的是奧氏體不銹鋼。

在低溫環(huán)境下工作的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)件不僅要求選用的低溫材料有較高的強度，同時還要求有較好的低溫沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)低溫鋼在深冷儲槽等靜設(shè)備方面已經(jīng)有了廣泛的運用，材料的低溫特性有了一定的數(shù)據(jù)支持。但由于風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的特殊性，風(fēng)洞殼體及試驗設(shè)備需要承受交變載荷，動作機構(gòu)必須在低溫下運行自如、可靠，因此，對低溫材料的低溫機械性能、膨脹系數(shù)、傳熱系數(shù)、低溫沖擊韌性等性能提出了更高的要求。目前國內(nèi)材料尚無完整的低溫環(huán)境下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，必須有針對性地開展相關(guān)低溫測試，獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)供設(shè)計參考。特別是要對寬溫域機械性能、加工工藝性、表面硬化處理等開展補充測試和試驗研究。

2.2 深冷工程現(xiàn)狀

國內(nèi)的深冷工程主要集中在空分行業(yè)以及航空航天領(lǐng)域。隨著國內(nèi)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，空分設(shè)備的設(shè)計及制造能力不斷提升，以杭州制氧機集團為代表的空分設(shè)備設(shè)計及制造企業(yè)已經(jīng)能夠自主設(shè)計和制造60 000 m/h以上等級的特大型空分設(shè)備，其采用的全低壓分子篩吸附、中壓空氣雙級增壓膨脹循環(huán)工藝流程技術(shù)成熟、運行可靠、安全性高。液氧、液氫等地面儲存設(shè)備容積已達(dá)10 000 m量級，多采用常壓雙壁式低溫儲槽，夾層填充珠光砂絕熱。低溫液體輸送已經(jīng)廣泛采用高真空多層纏繞絕熱管道，其當(dāng)量熱導(dǎo)率可達(dá)10W/（m·K）量級。

經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，我國在運載火箭、載人飛船、探月飛行器等方面取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。大推力液氧液氫航天推進(jìn)器達(dá)百噸量級，在液氧液氫的儲存及絕熱技術(shù)方面已較為成熟。外太空環(huán)境下工作的展開裝置、釋放裝置、鎖緊裝置、緩沖裝置等需承受120～450 K的晝夜（背光面/迎光面）溫差變化，靜部件本體能夠適應(yīng)真空、大溫差等惡劣工況。動部件系統(tǒng)則采用了休眠-喚醒技術(shù)，即當(dāng)環(huán)境溫度低于120 K時，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，不進(jìn)行動作；當(dāng)環(huán)境回溫到120 K以上時，系統(tǒng)被喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)。航天器所經(jīng)歷的環(huán)境特殊，其機構(gòu)面臨工況惡劣、重量體積限制、維護(hù)困難、測試技術(shù)復(fù)雜等問題，低溫風(fēng)洞中的執(zhí)行機構(gòu)也具有類似的問題。因此，航空航天中的低溫工程技術(shù)對大型低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計具有極高的借鑒價值。

3 洞體機械系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

洞體機械系統(tǒng)是大型低溫風(fēng)洞的主體設(shè)備，與動力系統(tǒng)共同組成低溫風(fēng)洞氣流回路，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過液氮噴射裝置向風(fēng)洞回路注入液氮實現(xiàn)降溫運行，通過調(diào)節(jié)排氣段排出的氣流流量控制風(fēng)洞運行壓力，對承壓殼體采取絕熱措施以控制低溫運行氣流與外界環(huán)境的熱量傳遞。風(fēng)洞試驗段等核心設(shè)備安裝在直徑超過10 m的駐室腔體內(nèi)，利用全自動運輸車系統(tǒng)實現(xiàn)試驗?zāi)Ｐ偷陌惭b和運輸。大型低溫風(fēng)洞工作溫度極低且溫度變化范圍大，風(fēng)洞結(jié)構(gòu)運行工況惡劣、復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點解決結(jié)構(gòu)材料選取、結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力及熱變形控制、低溫寬溫域重載傳動、液氮噴射裝置、試驗?zāi)Ｐ透鼡Q等關(guān)鍵技術(shù)問題。

圖2 大型低溫風(fēng)洞洞體回路結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Assembled mechanical circuit of cryogenic wind tunnel

3.1 低溫材料

低溫風(fēng)洞運行溫度范圍一般為77～323 K，長時間運行在液氮溫區(qū)，結(jié)構(gòu)用金屬材料必須是韌-脆轉(zhuǎn)變溫度較低或者無韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，具備良好的低溫特性。大型低溫風(fēng)洞主要結(jié)構(gòu)類型有承壓殼體、重載承力構(gòu)件、模型支撐系統(tǒng)等，對選用金屬材料的機械性能、物理特性、表面硬度、低溫韌性和可制造性指標(biāo)存在針對性差異。表1為低溫風(fēng)洞5種用途金屬材料性能的需求及指標(biāo)。其中，最重要的是對77 K溫度時的低溫沖擊功提出了明確的指標(biāo)要求，對低溫沖擊功有較大影響的碳、鎳、硅等含量需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。在開展洞體機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，應(yīng)依托國內(nèi)鋼鐵科研院所，有針對性地開展所需材料的機械性能、物理特性、熱處理工藝、焊接和機加工藝等相關(guān)測試和研究，補全低溫風(fēng)洞運行范圍內(nèi)的各項數(shù)據(jù)，并從冶煉難度、采購成本、批量大小等方面綜合考慮，選取滿足低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計性能需求的金屬材料。

表1 低溫風(fēng)洞用金屬材料性能需求（部分）Table 1 Expected properties of metal materials for cryogenic wind tunnel（partial）

3.2 熱應(yīng)力及熱變形控制

寬溫域范圍內(nèi)，傳熱不均將對洞體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形，直接影響風(fēng)洞氣動尺寸和結(jié)構(gòu)運行安全。因此，如何有效地對風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱和變形控制，保證風(fēng)洞高效、安全運行是大型低溫風(fēng)洞洞體機械系統(tǒng)設(shè)計必須解決的關(guān)鍵問題。

風(fēng)洞運行時承壓殼體最高工作壓力達(dá)0.45 MPa，最高運行氣流馬赫數(shù)為1.3，最大軸向力約1 500 kN，低溫氣流與洞體結(jié)構(gòu)間以對流傳熱為主，表2為洞體機械系統(tǒng)設(shè)計的主要載荷類型。由于內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、熱容大，在風(fēng)洞的降溫-運行-升溫過程中，洞體結(jié)構(gòu)無法完成傳熱平衡，存在較大的溫度梯度。在傳熱、高速氣流動載、駐室增壓靜載以及動力系統(tǒng)引入的氣流振動等復(fù)合載荷作用下，結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與流場特性耦合在一起，其強度、剛度、動態(tài)特性都存在非線性特征。

表2 洞體機械系統(tǒng)設(shè)計主要載荷Table 2 Design load for mechanical system of the cave

與常規(guī)跨聲速風(fēng)洞不同，大型低溫風(fēng)洞從靜流段至試驗段、高速擴散段等均安裝在駐室內(nèi)（圖3），其軸線和型面的一致性將關(guān)系到風(fēng)洞流場品質(zhì)的好壞。在溫度變化范圍大的情況下，洞體內(nèi)部構(gòu)件將產(chǎn)生較大的熱變形，影響風(fēng)洞氣動輪廓和結(jié)構(gòu)安全。針對風(fēng)洞的熱變形控制，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：1）保證洞體軸線不發(fā)生偏移和產(chǎn)生夾角；2）保證洞體內(nèi)部不產(chǎn)生大的臺階；3）釋放局部熱應(yīng)力，保證風(fēng)洞各部段協(xié)調(diào)一致；4）有效傳遞內(nèi)部軸向載荷至外部地基。

圖3 內(nèi)部支撐載荷分布Fig.3 Load distribution on inner supports

圖4為傳統(tǒng)框架式固塊噴管結(jié)構(gòu)在低溫風(fēng)洞降溫工況下的溫度場與應(yīng)力場的有限元仿真云圖，迎氣流面為高精度型面壁，表面對流換熱系數(shù)高達(dá)200 W/（m·K），背面為整體焊接框架縱橫筋板結(jié)構(gòu)，位于駐室靜止氣流中，表面?zhèn)鳠釣樽匀粚α鳌姆抡娼Y(jié)果可知，在經(jīng)過7 200 s的降溫后，型面部分溫度降低至123 K，而帶筋板的喉塊由于傳熱較慢，最高溫度為224 K，整體溫差約100 K，其熱應(yīng)力高達(dá)314 MPa，溫差和熱變形不一致導(dǎo)致多處應(yīng)力集中。因此，對于低溫風(fēng)洞型面精度要求極高的核心部段，傳統(tǒng)整體式結(jié)構(gòu)不能滿足氣動型面精度和結(jié)構(gòu)安全性的要求，設(shè)計時應(yīng)進(jìn)一步開展流固熱耦合仿真分析方法研究，提高仿真分析精度，著力解決多物理場耦合條件下的大型結(jié)構(gòu)件傳熱平衡和熱應(yīng)力解耦問題，減小部件整體溫差和熱變形。

圖4 框架式型面結(jié)構(gòu)溫度場與應(yīng)力場Fig.4 Stress and temperature distribution of frame structure

3.3 低溫寬溫域重載傳動

洞體機械系統(tǒng)所有動作機構(gòu)均位于駐室內(nèi)，軸承、絲桿、彈性元件、減速器、驅(qū)動電機等傳動鏈均承受交變的溫度載荷，溫域跨度大，工作范圍為90～323 K。減速器、驅(qū)動電機等驅(qū)動端設(shè)備可以采用保溫絕熱的方法使電器部分在常溫環(huán)境下工作。而末端的傳動傳力絲桿、軸承、推桿等運動部件完全暴露在工作氣流中，直接承受寬溫域、高速、重載的復(fù)合載荷，因此，需要解決低溫風(fēng)洞特殊工況下低溫?zé)o油潤滑、大溫區(qū)間隙補償、低溫疲勞和抗沖擊等問題。

軸承作為末端運動副，其摩擦和磨損問題直接影響機構(gòu)壽命和穩(wěn)定性，大溫差下軸承游隙的控制將影響機構(gòu)運動精度。常規(guī)的低溫減摩層采用聚四氟乙烯（PTFE）為基材的織物材料，磨損量大，熱膨脹系數(shù)較大，不利于控制游隙和提高壽命。而類金剛石表面減摩層處理方法的摩擦性能隨溫度降低的機理還不明晰，沒有工程應(yīng)用實例。目前，國內(nèi)缺乏寬溫域低溫重載軸承的設(shè)計依據(jù)，對適用于低溫風(fēng)洞工況的高硬度耐磨材料、固體自潤滑材料、低溫摩擦機理、游隙控制等還需要進(jìn)一步研究和探索。

圖5為低溫風(fēng)洞迎角機構(gòu)傳動簡圖，除驅(qū)動裝置外，傳動絲桿、低溫導(dǎo)軌、迎角機構(gòu)支板等核心部件均裸露在試驗環(huán)境中，承受溫度和模型升力載荷。絲桿跨度近5 m，有效行程達(dá)4 m，長徑比30以上，橫向剛度較弱。在氣流脈動和溫度不均勻的工況下，可能出現(xiàn)局部熱應(yīng)力、熱變形不一致，影響傳動精度，導(dǎo)致表面耐磨層失效等問題。在設(shè)計時應(yīng)關(guān)注的重點有：1）全行程范圍內(nèi)傳動精度及載荷分布；2）絲桿支撐方式的動態(tài)特性及抑振措施；3）降低傳動嚙合面之間的接觸應(yīng)力和疲勞壽命；4）寬溫域下嚙合面間隙補償和控制；5）嚙合表面硬化處理和耐磨減摩層的可靠性。

圖5 低溫風(fēng)洞迎角機構(gòu)傳動簡圖Fig.5 Sketch of attack mechanism in cryogenic wind tunnel

3.4 液氮噴射結(jié)構(gòu)

低溫風(fēng)洞通過向洞體回路注入液氮進(jìn)行換熱并控制氣流總溫，其截面溫度場均勻性指標(biāo)為±0.5 K，溫控精度匹配的液氮流量控制分辨率達(dá)到3 g/s。圖6為液氮噴射截面噴嘴布局示意圖。氣動布局采用截面多噴嘴陣列式，由小流量、中流量、大流量3種類型的噴嘴組合，共計約250個；采用4組獨立液氮噴射排架的形式，陣列布置噴嘴，中間排架在有限空間內(nèi)需要布置約80個噴嘴。

圖6 低溫風(fēng)洞液氮噴嘴截面布局Fig.6 Layout of liquid nitrogen spray section in cryogenic wind tunnel

由于液氮噴射汽化傳熱至風(fēng)洞回路達(dá)到溫度平衡存在一定的滯后效應(yīng)，需要控制噴射的開關(guān)閥響應(yīng)快速、啟閉直接，其動作端應(yīng)盡量靠近噴嘴布置，減小液氮在管路中汽化的可能性。此外，液氮噴射排架及管路直接與液氮接觸，整體溫度將達(dá)到77 K，其驅(qū)動端用氣不能出現(xiàn)液化現(xiàn)象，先導(dǎo)電控設(shè)備必須適應(yīng)一定的低溫工況或者處于常溫狀態(tài)。液氮噴射結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到溫度場精度指標(biāo)，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮液氮溫區(qū)和快速啟閉的特點，確保液氮噴射結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性?？蓮?個方面考慮：

1）采用一體化結(jié)構(gòu)，縮小閥體、閥芯體積，減小閥門熱容，確保噴射閥能快速預(yù)冷，減少液氮消耗。圖7為一種帶整流罩的4通道多閥組一體化液氮閥，閥芯和噴嘴直接安裝在末端，供液管路無啟閉空行程，可有效適應(yīng)風(fēng)洞流道空間限制。

圖7 一體化液氮噴射排架平面布置圖Fig.7 Plane layout of integrated liquid nitrogen spray valves

2） 控制端用氣應(yīng)避免低溫液化及水等雜質(zhì)污染，避免堵塞，確保閥門啟閉性能響應(yīng)時間指標(biāo)。

3）液氮排架截面為細(xì)長流線型，高度方向長約6 m，屬于長細(xì)比較大的橫向弱剛性結(jié)構(gòu)，噴射閥啟閉頻率高，噴射反推力較大，且液氮噴射總流量最高可達(dá)300 kg/s，設(shè)計時需優(yōu)化噴射結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，避免出現(xiàn)流致振動問題。

3.5 試驗?zāi)Ｐ透鼡Q技術(shù)

由于低溫運行的特殊性，試驗?zāi)Ｐ偷陌惭b、調(diào)整、姿態(tài)變化等設(shè)備需要高度的自動化和低溫適應(yīng)性。常規(guī)風(fēng)洞可以在駐室大門開啟后，人工操作進(jìn)行試驗條件的轉(zhuǎn)換，大型低溫風(fēng)洞若采用常規(guī)試驗?zāi)Ｐ透鼡Q技術(shù)，則必須將洞體及氣流溫度恢復(fù)至常溫，氣體置換為空氣，試驗的成本增加，效率大大降低，且能耗浪費巨大。因此，在不改變低溫試驗環(huán)境的狀態(tài)下，如何方便快捷地實現(xiàn)模型更換，是低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

低溫試驗?zāi)Ｐ透鼡Q可分為工位操作和模型更換間操作兩種模式，圖8為一種插入式模型更換系統(tǒng)，采用的是工位操作模式，通過插入封閉管道，在試驗段模型區(qū)域形成常溫常壓空間，試驗段前后通過隔離門和抽氣管路將主氣流繞過維修區(qū)域，維持風(fēng)洞低溫狀態(tài)運行，降低能耗。圖9、10分別為下沉式和上提式模型運輸系統(tǒng)，都采用的是模型更換間操作模式，即將模型運出至外部模型更換間進(jìn)行維護(hù)和更換，風(fēng)洞內(nèi)通過駐室承壓口蓋封閉，不破壞主流道結(jié)構(gòu)。

圖8 插入式模型更換系統(tǒng)Fig.8 Inserted model replacement system

圖9 下沉式模型運輸系統(tǒng)Fig.9 Sunken transport system for cryogenic model cart

目前大型低溫風(fēng)洞均采用高度集成的自動化模型車，配備轉(zhuǎn)運模型車的模型車運輸系統(tǒng)，將試驗?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)移至專用的常溫模型更換間，而洞體維持低溫環(huán)境，從而提高試驗?zāi)Ｐ透鼡Q效率，降低低溫風(fēng)洞運行能耗。試驗?zāi)Ｐ蛙囎鳛榈蜏仫L(fēng)洞洞體機械系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計質(zhì)量不僅直接影響試驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，而且關(guān)乎風(fēng)洞設(shè)備的可靠性和安全性。作為試驗段的重要組成部分，全模模型車集成了試驗所需的多組機構(gòu)和機械裝置，包括迎角機構(gòu)、滾轉(zhuǎn)機構(gòu)、壁板擴開角調(diào)節(jié)機構(gòu)、再入調(diào)節(jié)片機構(gòu)和鎖緊定位裝置等，具有尺寸大、運動范圍大、運行速度快、承載大、使用頻率高、可跨溫區(qū)運行等特點，在110～323 K大溫區(qū)變化范圍內(nèi)的大型超低溫機構(gòu)設(shè)計中幾乎沒有先例，其運行性能、安全性、可靠性要求給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圖10 上提式模型運輸系統(tǒng)Fig.10 Lifting transport system for cryogenic model cart

模型車需要克服寬溫域、氣流載荷、振動、低溫密封及絕熱等技術(shù)難點，特別是在試驗工位上因氣流脈動載荷使模型支撐系統(tǒng)流固熱耦合而誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動。設(shè)計時應(yīng)重點解決以下問題：1）模型車各工位的精確定位；2）機構(gòu)集成及熱防護(hù)可靠性；3）用電、用氣自動插拔裝置；4）10 m量級承壓法蘭自動鎖緊及密封裝置的可靠性；5）試驗?zāi)Ｐ椭蜗到y(tǒng)流固熱耦合動態(tài)特性優(yōu)化。

4 結(jié) 論

大型低溫風(fēng)洞洞體機械設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，涉及到結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、控制理論、測量技術(shù)等諸多學(xué)科，其配套系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，應(yīng)依托于小型引導(dǎo)風(fēng)洞和專項研究設(shè)備，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，降低大型低溫風(fēng)洞建設(shè)的風(fēng)險。

1）通過引導(dǎo)風(fēng)洞的設(shè)計、建設(shè)和調(diào)試，驗證風(fēng)洞結(jié)構(gòu)總體方案和布局的合理性，確保熱應(yīng)力釋放、總體支撐結(jié)構(gòu)和支座布局滿足軸線精度指標(biāo)和安全運行要求。

2）完善低溫風(fēng)洞用材的寬溫域基礎(chǔ)物性參數(shù)，為設(shè)計選材、強度校核提供技術(shù)支撐。

3）進(jìn)一步開展多物理場耦合仿真技術(shù)研究，探索適用于大型風(fēng)洞設(shè)備的靜力學(xué)和動態(tài)特性仿真預(yù)測方法，提高工程化設(shè)計的效率和可靠性。

4）聯(lián)合國內(nèi)高水平科研院所，開展低溫軸承、傳動絲桿、減摩材料、試驗?zāi)Ｐ蛙嚨群诵牧悴考难兄乒ぷ?，解決制造工藝問題，實現(xiàn)核心零部件的工程化應(yīng)用。