“吹”出来的载人航天-从风洞试验到计算机仿真-mir2

“吹〞出来的载人航天一一从风洞试验到计算机仿真导语：载人航天确实不是吹出来的，从前期准备到后期返回舱平安归来，都是复杂的技术活儿。“风洞试验〞这个如今大家并不陌生的技术名词，在载人航天的“前前后后〞都起到了不小的作用。先定个义：风洞是一种人工产生并控制气流的装置，用于模拟飞行器或其他物体在真实环境中与气流的相互作用，观察并记录物体所受气动力的各项参数：如飞行器外表的动压、静压，飞行器的迎风阻力和诱导阻力，机翼的升力等。由于要产生稳定的气流，风洞都设计为管状用以维持气流流向【载人航天那些地方需要风洞试验？】载人航天任务中所需的气动力和气动热数据，主要都是依靠地面风洞试验和计算空气动力学这两个手段获得。这些数据，涵盖了运载火箭和返回舱在大气中从低速到高速的各种运动状态：从运开始：当神舟船箭组合体由活动发射平台转运时，火箭会受到风的吹袭，进而产生振动和晃动甚至会导致火箭倾倒。这就需要把火箭缩比模型放入低度风洞中模拟近地风场对火箭的作用进而得出火箭所能承受的最大风速， 为船箭组合体转运提供数据支持。

〔长征2F风载试验〕飞在天上：运载火箭在飞行过程中，由于程序转弯会与高空气流形成大攻角，进而影响火箭的稳定飞行和入轨精度。什么时间转弯，每次转弯多少度，这都需要风洞试验，这个最容易理解。回到地面：当神舟飞船返回舱翻开主减速伞后，返回舱的下落速度大大降低。此时，返回舱与减速伞构成一个动力学系统，风吹减速伞会导致返回舱摇摆可能会把航天员“晃晕了〞；返回舱着陆后如果不及时切伞，减速伞会在风中拖着返回舱滚动，也可能把航天员“滚伤了〞。因此提前在风洞中试一试很重要。

〔返回舱风洞模型〕【举两个例子】1.长征2F运载火箭飞行至高层大气时的速度按照海平面声速折算成马赫数可到达10Ma，此时的气动载荷和箭体受热需要在高超声速风洞中通过模拟试验计算。航天科技集团公司第701研究所研制的FD-02高超音速风洞成功的获

取了神舟逃逸系统在高速状态下的气动特性，为航天员主动段逃生提供了有力保障。2.返回舱再入大气层时的速度超过23Ma，如此高的速度下返回舱将受到巨大的气动载荷和气动加热。我国的FD-04高超音速电弧风洞就是模拟返回舱所受热流的试验设备，以此得出的返回舱总热流量、热载荷等数据为返回舱防热材料的构成和厚度提供了设计依据。m汗〞2果壳网guokr

〔返回舱电弧风洞试验〕【载人航天除了“吹〞，还得“算〞】在风洞中“吹吹风〞对于载人航天不可或缺，但也存在一些问题。风洞虽然能近似于实际的模拟出航天器的各种飞行状态，但风洞造价高昂、试验准备时间长、耗电量巨大。我国于1999年投用的2.4mx2.4m跨声速风洞的建造总费用达1.8亿元人民币，仅洞体一项就用去了近1亿元。绵阳风洞群的运行也使当地电力供给长期紧张，影响到了周边居民的生活。0PINmrii■■■■■I；：：：：!0PINmrii■■■■■I；：：：：!亠Jifl〔2.4米x2.米风洞试验大厅〕随着计算机技术的迅速开展，使用计算机进行大量数值运算来求解空气动力学方程式成为可能。利用数值法以及计算流体力学方法，可以求出非线性偏微分方程的数值解，得到所需要的各种数据，从而有效回避了风洞的缺点，显著降低了实验本钱。〔返回舱仿真试验〕2021年，中国载人航天工程总体仿真实验室由中国载人航天工程办公室和联想集团共同建立。在进行物理风洞实验前，实验室的计算时机建立一个集流体动力学计算、可视化以及三维交互等功能于一体的虚拟风洞模型，在理论计算和分析的根底上动态模拟分型部件在风洞中的实际情况，从而不断修改、优化部件形态。这个过程中，后台ThinkServer效劳器需要进行高负荷的密集运算来模拟物理风洞实验的条件，而前台的ThinkStation工作站进行实时渲染，生成可