“吹”出來的載人航天-從風(fēng)洞試驗到計算機仿真-mir2

“吹〞出來的載人航天一一從風(fēng)洞試驗到計算機仿真導(dǎo)語：載人航天確實不是吹出來的，從前期準(zhǔn)備到后期返回艙平安歸來，都是復(fù)雜的技術(shù)活兒?！帮L(fēng)洞試驗〞這個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(fēng)阻力和誘導(dǎo)阻力，機翼的升力等。由于要產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，風(fēng)洞都設(shè)計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？】載人航天任務(wù)中所需的氣動力和氣動熱數(shù)據(jù)，主要都是依靠地面風(fēng)洞試驗和計算空氣動力學(xué)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(dāng)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(fēng)的吹襲，進而產(chǎn)生振動和晃動甚至?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)場對火箭的作用進而得出火箭所能承受的最大風(fēng)速， 為船箭組合體轉(zhuǎn)運提供數(shù)據(jù)支持。

〔長征2F風(fēng)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(fēng)洞試驗，這個最容易理解?；氐降孛妫寒?dāng)神舟飛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(gòu)成一個動力學(xué)系統(tǒng)，風(fēng)吹減速傘會導(dǎo)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(fēng)中拖著返回艙滾動，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(fēng)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(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(fēng)洞就是模擬返回艙所受熱流的試驗設(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)計依據(jù)。m汗〞2果殼網(wǎng)guokr

〔返回艙電弧風(fēng)洞試驗〕【載人航天除了“吹〞，還得“算〞】在風(fēng)洞中“吹吹風(fēng)〞對于載人航天不可或缺，但也存在一些問題。風(fēng)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(fēng)洞造價高昂、試驗準(zhǔn)備時間長、耗電量巨大。我國于1999年投用的2.4mx2.4m跨聲速風(fēng)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(fēng)洞群的運行也使當(dāng)?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(fēng)洞試驗大廳〕隨著計算機技術(shù)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(xué)方程式成為可能。利用數(shù)值法以及計算流體力學(xué)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(fēng)洞的缺點，顯著降低了實驗本錢。〔返回艙仿真試驗〕2021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(fēng)洞實驗前，實驗室的計算時機建立一個集流體動力學(xué)計算、可視化以及三維交互等功能于一體的虛擬風(fēng)洞模型，在理論計算和分析的根底上動態(tài)模擬分型部件在風(fēng)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(fēng)洞實驗的條件，而前臺的ThinkStation工作站進行實時渲染，生成可