“吹”出來的大國重器，30倍音速超級風洞

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導語：30馬赫超高超音速激波風洞-JF-22歷時5年研發(fā)，通過驗收，即將正式投入運營。JF-22可復現(xiàn)40到100公里高空，約30倍聲速的飛行條件，妥妥的大國重器，高超聲速高焓風洞試驗技術(shù)作為高超聲速科技發(fā)展的關(guān)鍵支撐之一，其重要性是無需強調(diào)的。

央視報道的JF-22風洞實驗室

一、源起：錢學森為全世界挖了一個大坑

1946年中國科學家錢學森曾挖了一個大坑，那就是“高超音速飛行”的概念，錢老在《Similaritylaws of hypersonic flows》高超聲速流動相似律的論文中首次使用“Hypersonic”(高超聲速)這個術(shù)語，來描述氣體速度遠遠大于環(huán)境聲速的流動狀態(tài)。誰也沒想到70多年后的今天全世界都在朝這個坑里跳。

錢學森提出了“高超音速飛行”的概念

從一開始用電風扇吹風，到后來使用高壓氣體，再到后面用爆炸，各種方法都被運用到了“吹風”這件事情上。盡管國內(nèi)外已經(jīng)開展的相關(guān)研究，使得高超聲速流動相關(guān)的理論和計算方法都取得了長足的進展，但于高超音速的研究仍然很粗淺。

這是由于高溫氣體介質(zhì)及其流動的復雜性，使得高超聲速流動規(guī)律超出了經(jīng)典氣體動力學理論能夠準確預測的范圍，傳統(tǒng)風洞難以達到，激波風洞應運而生。

各種高超聲速飛行器的典型飛行軌道，高度/速度圖

世界各國高焓激波風洞有三個種類：加熱輕氣體、自由活塞和爆轟驅(qū)動。

俄羅斯U-12和美國的LENS系列都屬于第一類加熱輕氣體類，采用燃燒高聲速的輕氣體作為驅(qū)動氣體，試驗運營成本昂貴，像美國的LENS-X的氫氣消耗量是JF-12的20倍。而且大量輕氣體的儲存、運輸、加熱和排放存在諸多不安全因素，所以美國后來就研發(fā)了HYPLUS.。

LENS X利用LENS II主要部件裝配的大型解離度風洞

第二類自由活塞類高焓激波風洞是利用高速運動的自由活塞，壓縮產(chǎn)生高壓驅(qū)動氣體，毫無疑問，自由活塞驅(qū)動風洞的技術(shù)發(fā)展成熟，已經(jīng)成為高超聲速高焓風洞的國際主流裝備之一。

比如德國的HEG，澳洲的T3/T4。中國早期的JF-8A，日本的HIEST于上世紀90年代建成，以其尺度大、技術(shù)成熟、試驗時間長而具有代表性。但活塞驅(qū)動技術(shù)最大的問題在于試驗時間過短，最大也不超過10毫秒。而中國的JF-12持續(xù)時間則已經(jīng)達到100毫秒以上，正是采用的第三類爆轟驅(qū)動方式。

T3自由活塞激波風洞

爆轟驅(qū)動是利用爆轟產(chǎn)生的高溫、高壓氣體作為高壓氣源的一種驅(qū)動方式。由于氣相爆轟壓力遠遠高于可燃混合氣的初始壓力，所以爆轟驅(qū)動模式是一種更方便、更高效的驅(qū)動方法。 JF-12和JF-22都是采用這條路線。除了中國之外，剛才提到的美國HYPLUS.也采用了爆轟驅(qū)動。

二、中國“超級風洞”在世界是什么地位？

中國現(xiàn)在已經(jīng)擁有三大世界級風洞群，JF-22超高速風洞建成驗收后將與JF-12風洞構(gòu)成能夠覆蓋全部高超聲速飛行走廊。

央視關(guān)于JF-22報道

比較各國風洞的優(yōu)劣，僅憑媒體透露出來的一些參數(shù)細節(jié)也只能霧里看花。最關(guān)鍵的還是要看能否利用風洞打造出先進的高超音速武器。

JF-22超高速風洞的上一代是JF-12高超音速復現(xiàn)風洞長265米，居世界風洞長度之首，被國際同行稱為“高超巨龍”，是我國首個獨立知識產(chǎn)權(quán)，國際首座可復現(xiàn)飛行條件的超大型超高速風洞，復現(xiàn)的是25-50公里的高空，實驗艙最大風速可達9馬赫。正是因為有了JF-12才研制出東風17、鷹擊21和東風27這3款高超音速導彈。

JF-12激波風洞

如何獲得滿足高超聲速氣動實驗研究的長時間高焓氣流，是發(fā)展激波風洞技術(shù)的關(guān)鍵難題之一。JF-12復現(xiàn)風洞和JF-22超高速風洞可分別實現(xiàn)每秒1.5-3km和每秒3-10km的實驗條件。

根據(jù)報道，JF-22超高速風洞的試驗能力比JF-12復現(xiàn)風洞的驅(qū)動能力提高10倍，將實驗目標高度提升至50-100公里，速度最高達到30馬赫。聲音的傳播速度為每秒340米，1馬赫就是指每秒340米，JF-22風洞內(nèi)的最高風速可以達到每秒10209米，17級超強臺風中心風力才每秒60米左右。

三、中國“超級風洞”的建設(shè)遠不止“吹風”

早在上個世紀各國就已經(jīng)可以“模擬”出流速非常高的風洞了。

美國上世紀研制航天飛機時制造出20馬赫氣流的風洞，“模擬”了飛行器再入大氣層時的速度。但實驗的空氣成分卻與航天飛機實際遇到的空氣成分差異巨大，風洞設(shè)計沒有考慮到激波所導致的熱化學反應，致使配平攻角發(fā)生嚴重偏差。

位于美國埃姆斯市的高超音速風洞

俄羅斯U-12激波風洞是1956年建造的超大型風洞，高壓段120米，低壓段180米，真空段23米。當時就可以吹出20馬赫的風速，6馬赫以下的實驗速度可達200毫秒，性能指標并不差，驅(qū)動段的長徑比過大。這不僅帶來入射激波的衰減，而且存在邊界層過度發(fā)展問題，費用極為昂貴。

傳統(tǒng)風洞基于經(jīng)典氣動力學實驗模擬準則，如馬赫數(shù)(壓縮性影響)及雷諾數(shù)(黏性影響) 對于具有化學反應影響占優(yōu)的高超聲速流動顯得嚴重不足，風洞技術(shù)進入到高超音速階段，能否吹出高速已不再是評價其優(yōu)劣的唯一標準。

可能有人會奇怪，為什么央視新聞在介紹JF-22的時候你說它是超高速風洞，而JF-12是復現(xiàn)風洞，注意是“復現(xiàn)”二字，而不是“模擬”，那么二者有什么區(qū)別呢？

央視關(guān)于JF-22報道

四、從模擬到復現(xiàn)，打造“中國超級風洞”

“復現(xiàn)”就是要求飛行器周圍的氣流、溫度、總壓以及氣體的純凈度都要與實際飛行高度的環(huán)境保持盡可能一致。并且持續(xù)時間還不能太短，噴口的直徑還要足夠大，能夠容納全尺寸飛行器模型為最佳。環(huán)境、時間、尺寸缺一不可。

原因在于在地面試驗設(shè)備上“復現(xiàn)”高超聲速飛行環(huán)境下的長時間與大尺度模型試驗是極其困難的，目前高超聲速氣動試驗的諸多難題都是由于試驗裝備“復現(xiàn)”能力不足造成的。

關(guān)于JF-12復現(xiàn)風洞，中國空氣動力學學會專門撰文說：“復現(xiàn)風洞理論和技術(shù)解決了困擾高超聲速實驗60年的世界難題，實現(xiàn)了風洞實驗狀態(tài)從流動‘模擬’到‘復現(xiàn)’的跨越，引領(lǐng)了國際先進風洞試驗技術(shù)的發(fā)展。”

復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞

根據(jù)中國科學院力學研究所激波風洞項目負責人姜宗林在央視報道介紹： JF-22風洞采用了采用了“因技術(shù)難度太大”，早已被國際同行放棄的“正向爆轟”技術(shù)，能量大，驅(qū)動強。

高總溫、高功率、高總壓：

JF-22驅(qū)動功率相比JF12風洞暴漲4倍，達到驚人的15000兆瓦，功率直逼三峽大壩裝機總功率（22000兆瓦）。可以做到2500攝氏度到18000攝氏度，而總壓可以做到100個大氣壓一直到10000個大氣壓。

噴口的直徑大：

JF-22吹出的流場直徑更大，有2.5米，一般國外最大直徑的話1.5米，這樣的話你可以放更大的飛行器。類似東風-17的HGV高超音速彈頭就無需再做等比例縮小的模型。直接拿上去“吹”就可以了。

試驗時間更長：

JF-22可以實現(xiàn)2~40 毫秒的試驗時間，在馬赫10的時候達到40個毫秒，比國內(nèi)國際的同類先進水平大概要有幾倍、成倍提高，實驗的結(jié)果的精度也高了。

除此之外，還要控制運營成本，所以能把以上種種需求完美的結(jié)合起來，才能稱之為“復現(xiàn)”。風洞技術(shù)能從模擬到復現(xiàn)，實則為質(zhì)的飛躍。

但是完美復現(xiàn)的風洞并非一蹴而就，50-100公里這樣的高度人際罕至，特別是一些邊界條件更難以模擬。未來JF-22實現(xiàn)“完美復現(xiàn)”還有很大的改進空間。

五、JF-22支撐太空天地往返

所以JF-22建成后可以模擬航天器重返大氣層的環(huán)境，將會助力我國新型天地往返飛行器、高超音速飛機、高超音速飛行器的研發(fā)，比如：騰云工程、空天飛機，新一代高超音速導彈。

超高速能力的風洞對研發(fā)太空飛行器至關(guān)重要，因為太空飛行器需要以每秒11.2公里的超高速穿越大氣層。

中國神龍一號空天飛機示意圖

比如升力式火箭動力重復使用航天運輸系統(tǒng)，特別是第二級從太空返回后再入大氣層，其高度和速度就會進入JF-22高度區(qū)域。我國“神龍”航天飛機只要依靠機翼滑行水平降落，擁有這一高度的地面風洞復現(xiàn)能力至關(guān)重要，可以說JF-22是為中國未來的航天飛機計劃量身打造，當然也不為過。

兩級入軌空天飛行器風洞自由分離試驗

乘波體彈頭也可以裝在東風-31或東風-41上面，成為一款洲際高超音速導彈，這樣其速度將會超過20馬赫，為了確保乘波體彈頭飛行時的空氣成分、溫度和最終命中精度。只有5-9馬赫“復現(xiàn)”能力的JF-12就無法滿足了，JF-22的出現(xiàn)正填補了這個空白。

結(jié)語：

中國超高速風洞從零起步，突破多項“卡脖子”的技術(shù)瓶頸，不斷推出世界最高水平級別超高速風洞，一起期待JF-22帶來更多大國重器的科研成果。

參考文獻：

[1]姜宗林. 中國高超風洞的理論創(chuàng)新與工程實踐[J]. 工程研究——跨學科視野中的工程,2022. DOI: 10.3724/j.issn.1674-4969.22061501

[2]長試驗時間爆轟驅(qū)動激波風洞技術(shù)研究，文章編號：0459-1879(2012)05-0824-08

[3]高超聲速高焓風洞試驗技術(shù)研究進展， 空氣動力學學報：10.7638/kqdlxxb-2019.0009

[4]自由活塞高焓脈沖風洞發(fā)展歷程及試驗能力綜述，實驗流體力學, 2019, 33(4): 65-80.