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2021.10-磁浮飞行风洞试验技术及应用需求分析（节选） 来源：空气动力学学报 作者：倪章松1 张军1 符澄2 王邦毅1 李宇1 时间：2021年10月 1. 成都流体动力创新中心 2. 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 http://html.rhhz.net/KQDLXXB/2021-05-95.htm $ ~" N# W: Z) C. V0 v2 l3 k" i
& R: j' u3 p, U2 U. m( D, C引 言
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' ?) z4 B& S6 {3 F9 ]6 `- u2 T2021.5中科院第二十次院士大会，中科院学部第七届学术年会院士报告会(翟婉明：中国高铁发展面临的科技挑战与对策) . g8 d- q9 }' S, ?' S; @( l
超高速轨道交通是未来轨道交通领域的重要发展方向。在国家“十四五”规划中指出，要大力发展轨道交通，推进CR450高速度等级中国标准动车组重大技术装备的研发。国家铁路局表示在接下来的《“十四五”铁路发展规划》中，要推动时速400 km级高速铁路关键技术、600 km级高速磁悬浮系统技术储备等重大科技研发，突破关键技术。由中国中车股份有限公司承担研制、具有完全自主知识产权的时速600 km高速磁浮交通系统于2021年7月20日在中车青岛四方机车车辆股份有限公司下线，见图1。8 K C0 j- D+ s9 C2 b
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2 国内外研究现状及发展趋势0 d* t7 ^' ~: r# S
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相对于传统风洞试验采用的“体静风动”运行方式，“体动风静”的动模型试验技术需要驱动模型在低阻力滑轨上运动，从而开展相关空气动力学试验。为了满足先进轨道交通以及飞行器的高速度和高加速度试验需求，电磁弹射、磁悬浮驱动、橡筋弹射和压缩空气炮发射等关键推进技术不断成熟，同时动模型试验技术也在持续发展。当前比较成熟的动模型试验设备主要包括火箭橇和列车动模型设备。
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2.1 火箭橇技术研究现状9 ?* U) d4 E2 s6 i) n% S
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- B; ~2 k T' t% w% H 在高速轨道交通研究中，由于一些复杂流动对高速列车几何外形、运动状态、流动边界条件和外界扰动都异常敏感，流动模拟的相似参数要求很高，理论分析和数值模拟难度较大，其气动力及相关结构、控制等问题都必须依靠风洞试验来解决。真空管道超高速列车的研究正面临着一系列特殊环境下的复杂空气动力学问题，如超高速气动力精确预测及一体化设计、湍流减阻、边界层转捩、激波测量等，对风洞试验的流场动态特性、低扰动特性以及特种模拟能力提出了更高的要求，必须依靠新型磁浮飞行风洞技术和配套的试验技术加以解决。
% F9 D% o" t1 u' O! ~% p 火箭撬试验技术在第二次世界大战期间被提出，1945年，美国爱德堡空军基地首先建成一段670 m长的滑轨。20世纪，美国霍洛曼空军基地建成了世界上最长的火箭撬滑轨，全长15.48 km，最大马赫数可达8.5，如图2所示。近年来，美国在霍洛曼空军基地开始了火箭橇的“超导悬浮+火箭推进”新技术研究工作。在600 m长的轨道上，实现了马赫数1.2的试验速度。
+ S$ [) m+ p* y7 ~, G) i 1987年，我国建成了国内第一条、也是亚洲唯一的火箭橇滑轨。1997年，我国历时十年建成了全长3132 m，间距1.435 m的高精度火箭橇滑轨。该滑轨在承载最大重量4 t时的最大设计马赫数为1.2。21世纪初，我国对上述火箭橇进行了扩建，长度达6.2 km，最高马赫数可达2.8。, G5 ^' s; J. i% {) k
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2.2 常规动模型技术研究现状. ~8 e4 U& V% V% y0 o6 F
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常规动模型试验技术弹射方式主要有橡筋弹射式和压缩空气炮发射式。二者的动力源不同，但原理相似，运动过程分为三个阶段：在橡筋弹力或压缩空气作用下的加速段、无动力惯性运动段（模拟试验区）、制动减速段。
2 w! w( f" \# r) C5 Q+ m! L/ m 英国伯明翰大学建成的研究型动模型装置采用橡筋弹射实现模型加速。日本Kobayasi物理研究所的研究人员建立了小型高速列车压力波测量装置，采用压缩空气炮发射实现模型加速。德国宇航中心采用融合古罗马炮弩和航空母舰弹射器原理的液压驱动弹射装置对模型进行加速。
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! O& r7 A6 F5 g1 k+ ]$ U3 t) k3 q4 c7 T( D 国内开展列车动模型试验技术研究和测试平台建设的单位主要集中在中南大学轨道交通安全重点实验室、中国科学院先进轨道交通力学研究中心和西南交通大学试验中心等单位，以原理性、引导性设备为主。
& s6 ]+ a, c* X1 u. W8 v5 j, S0 F 西南交通大学试验中心建立的列车动模型试验装置由以压缩空气为动力的空气炮、模型列车、模型隧道、电控系统及列车模型回收系统组成。( r9 F: H; W5 A0 i
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8 N* T; z. I2 T9 ?; T) @& ? 中南大学轨道交通安全重点实验室建立了“列车气动性能模拟动模型试验装置”。如图5所示，试验线全长164 m，分为三段：发射段、试验段和减速段。在试验段上可安装各类隧道模型，用于列车交会和过隧道试验。在该测试平台上可模拟两交会列车、列车与地面、列车与周围环境之间的相对运动，再现高速列车交会、过隧道等空气三维非定常可压缩流动过程，获得具有相对运动的列车空气动力特性。
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2.3 磁浮动模型技术研究现状
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2 r5 Y: ?( ^* S' }- P 磁悬浮驱动由于载重量大、悬浮间隙大、摩擦能耗低，在动模型试验方面具有良好的应用前景。, g4 }+ H+ h( v( r: M0 {
欧美等发达国家一直没有停止对磁浮驱动技术的探索，尤其在超高速轨道交通和航空航天地面测试设备等领域，磁浮技术得到了初步的应用并取得了较好的使用效果，为我国发展磁浮飞行风洞提供了有益的借鉴。为了提高风洞对雷诺数的模拟能力，美国NASA经过论证提出了高升力飞行风洞（HiLiFT）的概念。
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HiLiFT是利用磁悬浮推进技术推动试验模型在含有静止气体介质（空气或氮气）的管道中运动，采用气体装置控制设备实现介质的温控和增压，满足全尺寸飞机低速高雷诺数试验的要求。但由于当时磁浮技术发展水平的限制和建造成本等原因，该风洞并未实际建设，而基于电磁推进和悬浮技术推动动模型的试验技术却始终在发展之中。$ H7 r7 N5 W, B: ~3 z Y5 M
2013年，美国特斯拉公司的马斯克提出了时速1200 km的超级高铁（Hyperloop）设想，这种方案选用感应板式电动悬浮结合真空管道的模式。随后美国便成立了三家超级高铁公司开展研发，其中Hyperloop One公司2016年在拉斯维加斯北部的沙漠中利用测试轨道测试了超级高铁的推进系统（如图7所示），测试车辆的推力加速度为2.5 g，重量约680 kg，最高时速为644 km。
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3 [: N4 a3 C* Z% D7 L 国内磁浮驱动技术虽然起步晚，但近年来在中低速磁浮技术领域已经取得了显著的成果。我国在轨道交通领域已建成了多条中低速磁悬浮列车线路，并建立了一些原理性的磁浮驱动动模型试验设备和测试平台。国防科技大学从20世纪80年代便在国内率先开展了磁浮技术研究，攻克了中低速磁悬浮控制技术并解决了工程化应用问题，并于2018年成功试验了新一代磁浮工程样车，时速达到160 km以上。北京航空航天大学提出了一种磁悬浮助推航天发射系统的概念，设计将单级入轨的运载器在较短的时间（～10 s）内加速到较高的起飞速度（～0.7Ma）。- i @/ [- c. ]6 F9 \
西南交通大学于2014年研制出真空管高温超导磁悬浮环形试验平台，2016年建成了如图8所示的侧挂式高温超导磁悬浮真空管道系统模型，轨道全长20.4 m，管道直径6.5 m，模型车载重3.5 kg，稳定运行速度102 km/h。2 d( V7 J. }( r, `7 {& s
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+ i2 i: ]0 B$ H; ^4 t" }0 l2014年研制出真空管高温超导磁悬浮环形试验平台 # o k+ [: L4 J. Y; j. r$ \3 Y
2016年建成了侧挂式高温超导磁悬浮真空管道系统模型
2 n9 z1 p$ ^- t |( A0 T4 ` 国内在动模型风洞及磁悬浮驱动系统方面已经开展了部分研究，但磁悬浮及真空超导技术在动模型风洞中的应用以及高速磁浮技术的电机驱动、速度控制、管道消音等关键技术仍有待于进一步深化研究，提高工程实用性。目前，我国尚缺少成熟的大型磁悬浮飞行地面试验和测试平台，现有的磁悬浮驱动动模型试验设备的尺寸、最高速度、试验功能难以满足高速列车及空天飞行器大型化、高速化、精细化的试验需求。
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% R& x0 ~: G4 B2 a0 U: T) D$ R2.4 发展趋势分析, V& ?/ ~: k" n8 \) q3 u
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未来航空航天飞行器、先进轨道交通装备高速化、大型化、复杂化的技术特征，对高品质大型风洞提出了迫切需求，需要风洞具备更好的流场品质、更低的气流噪声、更宽的马赫数/雷诺数范围、更强的试验能力、更高的运行效率及更低的运行成本等。因此，需要在风洞运行原理、试验原理上发展新的概念，实现风洞性能和试验能力的突破。+ A: z' ^9 P/ ]( x- }
磁浮驱动试验平台集合了传统风洞和动模型试验技术的优点，可以实现马赫数连续可变，雷诺数可调节，具备低噪声和低湍流度模拟能力，在超高速轨道交通及航空航天领域的特殊空气动力地面试验研究中具有独特试验能力优势，具备广泛应用前景。
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" L9 j" L# u0 W! j( N4 应用需求分析
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磁浮飞行风洞具有试验能力优势，在诸多重大工程和重大型号研制中有众多应用场景，对国民经济建设和空气动力学学科发展具有重大意义。磁浮飞行风洞能够满足下一代时速400 km级高铁、时速600 km级高速磁浮等先进轨道交通重点型号设计研发及车辆空气动力学学科基础和前沿问题研究的需求，同时是发展超声速客机、深空探测等高新技术产业的重大科技基础平台。
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6 E( f6 K" R& H, N' [4.1 超高速轨道交通+ k: }) Q6 P: }! B+ o
4.1.1 管道运行及会车研究
$ r3 Q1 ]# Q- U$ |7 J/ s5 q4.1.2 边界层空气动力学问题研究+ }# ~1 ?4 |% m y, k- Q
4.1.3 跨、超声速地面效应研究
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4.2 其他领域5 [1 I7 t* V& X& e, d
4.2.1 民用航空
; H, |; H, T5 I4 O4.2.2 深空探测) b; V' w5 Q5 {: f+ ]+ Y
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5 总 结
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4 R7 X* g7 f* t+ v 在超高速轨道交通、航空航天等领域的研究中，对于气流噪声难控制、低湍流度难实现、高空低雷诺数及宽雷诺数范围难调节等问题，磁浮驱动飞行风洞是一种具有变革性的新概念风洞。8 T/ O6 W! F/ Y
磁浮飞行风洞试验技术集合了传统风洞和动模型试验技术的优点，采用先进的气动力精确测量、流场显示、气动热测量、气动噪声测量等技术，可以实现湍流减阻测量、边界层转捩测量等，能极大支撑特殊环境的空气动力学问题及特种工程技术问题的试验研究。/ m$ }: `2 s2 l+ N: c7 t
磁浮飞行风洞是下一步发展高速轨道交通、超声速客机、深空探测等高新技术产业的重大科技基础平台，可用于真空管道高速磁浮列车的管道-车体激波边界层干扰、活塞效应、地面效应、气动热效应、边界层转捩等基础科学问题的研究，也可解决跨、超声速条件下，飞行器噪声精确测量、转捩位置精确预测、飞行速度急剧变化过程中的非定常气动特性预测等问题。在诸多重大工程和重大型号研制、未来航空航天和高速轨道交通领域重点型号设计研发中，磁浮飞行风洞具有重要的支撑作用，对国民经济建设和空气动力学学科发展具有重大意义。
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