美国国家全尺寸空气动力设施进展综述

摘要：本文简要介绍了美国国家全尺寸空气动力设施（NFAC）的发展简况，重点梳理近两年来NFAC开展的试验研究工作。在航空试验研究方面，开展了高速直升机、新型倾转旋翼、空中加油装置和翼型伞试验；在航天试验研究方面，开展了2020火星漫游器降落伞系统试验；在试验技术方面，针对全模、半模、车辆试验改进和拓展洞壁干扰修正技术；在设备建设方面，开展了倾转旋翼试验台高速和声学性能测试。研究表明，全尺寸亚声速风洞在航空航天飞行器研制中具有不可替代的作用。通过本文研究，可以为国内未来全尺寸亚声速风洞试验技术研究发展提供参考。

关键词：国家全尺寸空气动力设施；全尺寸风洞；旋翼机；降落伞

中图分类号：V211文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.04.001

美国国家全尺寸空气动力设施（NFAC）是世界上仅存的两座全尺寸亚声速地面试验设备之一，被视为空气动力试验研究的重要战略资源。著名的F-35先进战斗机、V-22倾转旋翼机、UH-60直升机和航天飞机等都曾在NFAC进行空气动力或综合性试验研究。2018年以来，NFAC在试验设备配套、试验技术发展和航空航天飞行器试验研究方面展现出新的活力。

本文归纳总结NFAC开展的新型号试验研究、新试验技术发展，以及新旋翼试验台建设，以便航空航天等领域科研人员更好地认知全尺寸亚声速风洞的作用，促进我国未来大型风洞试验设备和技术的发展。

1 NFAC发展简况

NFAC是世界最大的风洞，其设计建设的初衷是用于全尺寸或大缩尺比固定翼飞机、短距/垂直起降飞机、直升机和倾转旋翼机气动特性试验研究，建成后也用于航天器、降落伞和大型车辆等航天和工业空气动力学试验研究。NFAC由40ft×80ft（12m×24m）回流式风洞和80ft×120ft（24m×37m）直流式风洞组成，前者建成于20世纪40年代，后者是利用40ft×80ft风洞动力段和部分洞体回路，于20世纪80年代改造扩建而成。因此，NFAC是由两座连体全尺寸风洞构成的空气动力设施，它位于美国国家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心。纵观NFAC建成后承担的试验任务，绝大多数是NASA和军方的试验研究项目，NFAC的运行经费主要靠NASA财政预算维持。2003—2006年，因NASA旋翼机项目取消和财政预算减少，NFAC难以维持正常运行而关停。后经美国国防部评估，该风洞是旋翼机试验的首要设备，对武器装备发展至关重要。因此，美国空军与NASA签署了25年的NFAC租赁合同。按照合同，NASA仍拥有NFAC的所有权，并提供保障服务和技术支持；美国空军阿诺德工程发展综合体（AEDC）掌管NFAC的运营。2007年，NFAC经维修和更新测试设备后重新启用。2018年以来，在NASA的技术支持和AEDC的运行管理下，NFAC在新型航空航天器研制、试验技术发展和设备配套中展现出新的活力。

2新型航空飞行器试验研究

2.1高速直升机试验研究

NFAC是直升机和倾转旋翼机试验研究的首要试验设备，美国陆军一直在致力于下一代高速直升机的研制，这是美国军方接手管理该全尺寸风洞最主要的原因。2019年上半年，NFAC完成了SB>1 DEFIANTTM军用高速直升机试验，并获评AEDC 2019年度试验。SB>1 DEFIANTTM是西科斯基和波音公司联合研制的一个中型多用途验证机[1]，未来将有攻击型和运输型等多种军用型号。该项目属于美国陆军联合多用途技术验证飞行器计划，SB>1 DEFIANTTM验证机气动布局采用的是西科斯基公司“X2 TechnologyTM”高速直升機布局，主要布局特点是采用升力偏置共轴旋翼系统和尾部推进器，以获取高速飞行能力（见图1（a））。风洞试验模型缩尺比为1∶5，模拟了带动力的主旋翼，没有模拟尾部推进器（见图1（b））。试验的目的是验证该布局气动性能和飞行力学问题。试验测量了旋翼各部件力和力矩，包括机身、尾部和旋翼表面压力[2]。

2.2下一代倾转旋翼机试验研究

倾转旋翼机是介于直升机与固定翼飞机之间的一种气动布局飞行器，是解决垂直起降、高速巡航的一种有效方案，美国V-22“鱼鹰”就是现役的军用倾转旋翼机。近几年来，美国正在发展下一代军用倾转旋翼机和民用倾转旋翼机[3]。2019年，NFAC的倾转旋翼试验台（TTR）团队完成了第一个民用倾转旋翼系统的全包线气动性能评估，该系统在2020年进入商业应用。TTR团队的出色工作获得了美国垂直升力协会的认可，并获得富兰克林奖。除此之外，开展了全尺寸“699”研究旋翼的试验，该旋翼由贝尔直升机公司的AW609旋翼演变而来，是一种三桨叶旋翼系统，旋翼直径8m，桨叶采用非线性扭转和方翼尖构型。在40ft×80ft（12m×24m）风洞中开展了盘旋、巡航（飞机模态）、转换（45°偏转）、直升机模态（90°偏转）下的试验研究，在60种旋翼桨尖速度、偏转角和风洞速度组合条件下，取得了1554个旋翼数据点的数据，风洞最大试验风速达到140m/s。图2给出了倾转旋翼45°偏转、前进比μ=0.200～0.299、风速47～ 70m/s下的动力和拉力关系试验结果[4]。

2.3空中加油气动装置试验研究

NFAC所具有的特大型试验段使其可以进行一般风洞无法进行的非常规试验，如验证飞机表面的主动流动控制装置、在风洞中射出伞包模拟航天减速器开伞、改善风挡可视性的喷水试验等。2019年，NFAC开展了全尺寸空中加油/监视系统风洞试验[5]，该试验研究来自海军研究办公室资助的两个“小商业创新研究”（SBIR）项目，全尺寸试验模型包括集成的主动稳定授油锥系统和光学参考系统（见图3）。主动稳定授油锥系统设计有一对电机驱动的可旋转的铝套，铝套上有成对配置的空气动力边条，通过控制铝套旋转产生的升力和滚转力矩抵消授油锥受气流扰动产生的不稳定性。光学参考系统实时提供授油管、授油锥和受油嘴位置，由高解析度的照相机、图像处理算法和数据存储器组成。整个全尺寸加油/监视系统通过在NFAC中试验，验证了技术的有效性。

2.4翼型伞试验研究

美国陆军单兵MC-4/5冲压空气式翼型伞在NFAC的80ft×120ft（24m×37m）风洞进行了三个型号的全尺寸试验[6]，它们分别是新型的P61087和现役的SLX29266及M4C13544（见图4（a））。MC-4/5冲压空气式翼型伞由14个前缘开口的翼盒构成，采用Lissaman 7808翼型，弦长4m，展长9m。在翼型伞中间翼盒的上下伞衣上布置有供照相测量用的靶标，通过照相测量技术可以估算翼盒的充气状态和迎角，在风洞地板和天花板上安装有5个照相机（见图4（b）），靶标测量的不确定度约为25mm。试验采用六轴载荷测量装置测量翼型伞力和力矩。试验研究了翼型伞后缘调整片、风速、迎角组合条件下的翼型伞特性。试验表明，新型翼型伞在相同试验条件下，升力略有增加。

3航天降落伞试验研究

3.1低密度超声速减速器试验研究

低密度超声速减速器（LDSD）是为进入火星大气大载荷飞行器设计的减速器系统，它包括一个充气空气动力减速器和一个超声速降落伞。NFAC进行了6种类型13个伞衣的试验研究[7]，试验目的是研究不同伞形设计的阻力和稳定性平衡问题。伞模型尺寸是全尺寸的38.7%，模型伞衣的名义直径为11.8m，伞绳长度约20m。NFAC的80ft×120ft（24m×37m）风洞可以允许伞模型在试验中有横向±30°、垂直方向±20°的偏角变化（见图5（a））。模型伞衣上缝制了测量靶点（见图5（b）），通过照相机拍摄，计算伞位置的变化。照相机型号Dalsa 4M60（见图5（c）），拍摄频率60Hz，由数字信号发生器触发拍摄。

3.2舱伞组合系统试验研究

艙伞组合系统（CPAS）试验模型类似于LDSD，伞模型尺寸是全尺寸的35%，模型伞的名义直径为12.4m，伞衣上缝制有拍摄靶标[8（]见图6（a））。试验目的是测量伞自由振荡特性和伞形状变化。如图6（b）所示，通过风洞转盘和洞壁系留绳使伞预置一个20°偏角，在静态升力、阻力数据采集后，释放系留绳，测量伞自由振荡数据。图6（c）给出了伞的振荡幅度和三个试验拍摄照相机的位置。

3.3 InSight任务试验研究

InSight是采用地震学研究、大地测量学和热传输进行火星内陆探索任务的英文缩写。试验模型是全尺寸DGB（盘-缝-环）伞（见图7（a）），伞名义直径为11.8m，伞衣采用“Z形”和“准风琴”两种折叠方法装于伞包中。试验目的是研究抛射开伞动态特性。试验采用Dalsa 4M60s和Phantom v641高速照相机进行了两组10次抛射，记录了伞包射出到伞绳拉直（见图7（b））、伞从伞包拉出（见图7（c））及伞衣充气打开的全过程。测量了伞衣上动压，研究了伞折叠方法的影响。

3.4“火星2020”降落伞试验研究

“火星2020”降落伞是“火星2020”任务的全尺寸降落伞制作工艺验证试验，是NASA火星探索计划的一部分[9]。伞的名义直径为21.5m（见图8（a）），试验了先锋航空航天公司和空中系统公司的两个产品。由于伞的尺寸、伞绳长度和轴向载荷较上述几个试验大得多，因此采用了加强的三支柱支撑。试验时伞实际处于扩散段中，因此在试验段和扩散段中安装了多个高速照相机拍摄试验过程（见图8（b））。试验对比分析了抛射开伞法和“袖筒”开伞法，给出了不同动压条件下的试验结果。“袖筒”开伞法，即伞包裹在细长的“袖筒”中，并沿风洞中心线拉直，试验时剪断拉伸线，伞从“袖筒”中拉出，充气张开。

4风洞试验技术和设备测试

4.1洞壁干扰修正技术拓展

NFAC巨大的试验段可以提供全尺寸或大尺度模型试验，能够有效减少模型缩尺效应对风洞试验数据的影响。然而，洞壁干扰效应对大尺度模型的影响是一个不可忽视的问题。NFAC风洞已经建立有全尺寸飞机模型洞壁干扰修正技术，2017年发展了直升机/旋翼模型修正技术[10]。近两年，结合开展的型号试验研究，对已有洞壁干扰修正技术进行了改进和拓展。

在NFAC的40ft×80ft（12m×24m）风洞，针对飞机全模型试验，在原4排壁压孔（见图9中A、B、C、D）基础上，增加了天花板两排（见图9（a）中E、F）壁压孔，改进了流向角、堵塞度和浮阻的修正能力；发展了飞机半模型天花板4排测压孔（见图9（b）中E、F、G、H）壁压修正法。

在NFAC的80ft×120ft（24m×37m）风洞，除已具备的固定翼飞机和降落伞试验数据修正方法外（采用三排壁压测量孔，每排21个孔），结合多个大型卡车车型实车试验，发展了针对地板安装模型的数据修正法（见图10）。由于车辆地板安装位置低，洞壁两侧的壁压数据对修正失效，因此，发展了采用天花板上单排壁压数据结合镜像技术的壁压修正法，试验修正结果与其他验证方法结果比较表明，卡车试验数据的堵塞度和浮阻修正合理[11]。

4.2倾转旋翼试验台测试

为了满足21世纪倾转旋翼和其他先进旋翼机概念研究需要，NASA、美国陆军和空军出资3000万美元，由贝尔直升机公司和胜利航空航天系统公司联合研制了NFAC专用的倾转旋翼试验台（TTR）[12]。2007年，TTR开始设计加工，设计指标要求能够试验直径8m全尺寸倾转旋翼，满足飞机模态最大速度约150m/s、旋翼倾转模态最大速度约90m/s、直升机模态最大速度约75m/s的试验需求[13]。2015年TTR完成制作和旋翼天平的校准工作。

2018年底以來，TTR被安装到NFAC 40ft×80ft（12m×24m）风洞进行测试试验工作。TTR使用全尺寸贝尔“699”旋翼模型，开展了飞机模态最大飞行速度试验和声学试验（见图11）。试验的目的是进一步完善TTR系统与NFAC风洞系统的集成。试验速度达到了140m/s，这是迄今为止全尺寸旋翼风洞试验的最高纪录。还进行了试验台空气动力、驱动电机、热效应、模态振动等检验测试工作。开展了TTR气动声学测试，验证其声学试验能力[14]。试验在风洞地板和测量支架上各安装了两个麦克风，采集不同试验状态的声学数据。通过测量直升机模态下旋翼桨涡干扰噪声，并与以前试验数据比较，研究TTR声学试验特性，为未来进一步验证研究积累了数据。

4.3风洞动力叶片损坏的应急处理方法

2017年6月，NFAC经历了一次运行事故，洞壁脱落的壁板损坏了一个动力电机上的15个叶片。NFAC动力系统有6个电机，每个电机带动由15个木制叶片构成的风扇产生风洞气流，风扇直径约12m，每个风扇叶片长约4m。加工新的风扇叶片需要较长的时间，为了能尽快恢复风洞运行条件，风洞技术人员采用了一种减少风扇叶片运行的暂时处理方法。该方法将未受损的5个电机上的叶片各卸下三片（每间隔4片卸1片，见图12），共计卸下15片，用其中12片安装在受损电机上，剩余三片备用[15]。此方法尽管使风洞能达到的最大风速有所降低，但不失为一个有效的、能尽量减少风洞维修停运影响的方法。2018年，风洞恢复运行，目前，NFAC仍采用这种应急动力状态进行试验运行。

5结束语

综上所述，全尺寸亚声速风洞在直升机和旋翼机研制中依然是首选地面试验设备，能显著降低研制风险，提高研制效率。在航空航天降落伞、飞机空中加油系统等特殊模型试验中，全尺寸风洞能够完成尚无很好缩尺方法、必须采用全尺寸部件进行的一些试验。在美国NASA提供技术支持和空军AEDC负责运营的新管理模式下，新型高速直升机和倾转旋翼机试验研究成为NFAC重点发展方向，新研制的TTR试验台完成测试，已经形成试验能力，并完成首个民用倾转旋翼机的试验工作。NFAC两个巨大的试验段和高风速试验能力，在航空航天降落伞、特种航空系统试验和工业空气动力学试验方面发挥着独特的作用。结合开展的全模型、半模型和车辆模型试验研究，NFAC拓展了各类型模型洞壁干扰修正技术，提高了全尺寸或大尺度模型试验数据的准确性，为更好地发挥全尺寸风洞能力优势奠定了基础。

参考文献

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（責任编辑陈东晓）

作者简介

战培国（1963-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：空气动力试验。

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