“吹”出來的大國重器，30倍音速超級風洞

出品｜網易新聞

導語：30馬赫超高超音速激波風洞-JF-22歷時5年研發，通過驗收，即將正式投入運營。JF-22可復現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作為高超聲速科技發展的關鍵支撐之一，其重要性是無需強調的。

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)這個術語，來描述氣體速度遠遠大于環境聲速的流動狀態。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。盡管國內外已經開展的相關研究，使得高超聲速流動相關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及其流動的復雜性，使得高超聲速流動規律超出了經典氣體動力學理論能夠準確預測的范圍，傳統風洞難以達到，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，壓縮產生高壓驅動氣體，毫無疑問，自由活塞驅動風洞的技術發展成熟，已經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、技術成熟、試驗時間長而具有代表性。但活塞驅動技術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持續時間則已經達到100毫秒以上，正是采用的第三類爆轟驅動方式。

T3自由活塞激波風洞

爆轟驅動是利用爆轟產生的高溫、高壓氣體作為高壓氣源的一種驅動方式。由于氣相爆轟壓力遠遠高于可燃混合氣的初始壓力，所以爆轟驅動模式是一種更方便、更高效的驅動方法。 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.也采用了爆轟驅動。

二、中國“超級風洞”在世界是什么地位？

中國現在已經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風洞構成能夠覆蓋全部高超聲速飛行走廊。

央視關于JF-22報道

比較各國風洞的優劣，僅憑媒體透露出來的一些參數細節也只能霧里看花。最關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權，國際首座可復現飛行條件的超大型超高速風洞，復現的是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，是發展激波風洞技術的關鍵難題之一。JF-12復現風洞和JF-22超高速風洞可分別實現每秒1.5-3km和每秒3-10km的實驗條件。

根據報道，JF-22超高速風洞的試驗能力比JF-12復現風洞的驅動能力提高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”的建設遠不止“吹風”

早在上個世紀各國就已經可以“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，風洞設計沒有考慮到激波所導致的熱化學反應，致使配平攻角發生嚴重偏差。

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展問題，費用極為昂貴。

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

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是復現風洞，注意是“復現”二字，而不是“模擬”，那么二者有什么區別呢？

央視關于JF-22報道

四、從模擬到復現，打造“中國超級風洞”

“復現”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境保持盡可能一致。并且持續時間還不能太短，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。環境、時間、尺寸缺一不可。

原因在于在地面試驗設備上“復現”高超聲速飛行環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”能力不足造成的。

關于JF-12復現風洞，中國空氣動力學學會專門撰文說：“復現風洞理論和技術解決了困擾高超聲速實驗60年的世界難題，實現了風洞實驗狀態從流動‘模擬’到‘復現’的跨越，引領了國際先進風洞試驗技術的發展。”

復現高超聲速飛行條件激波風洞

根據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“因技術難度太大”，早已被國際同行放棄的“正向爆轟”技術，能量大，驅動強。

高總溫、高功率、高總壓：

JF-22驅動功率相比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，比國內國際的同類先進水平大概要有幾倍、成倍提高，實驗的結果的精度也高了。

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合起來，才能稱之為“復現”。風洞技術能從模擬到復現，實則為質的飛躍。

但是完美復現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“完美復現”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，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太空飛行器至關重要，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，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能力至關重要，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”能力的JF-12就無法滿足了，JF-22的出現正填補了這個空白。

結語：

中國超高速風洞從零起步，突破多項“卡脖子”的技術瓶頸，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]長試驗時間爆轟驅動激波風洞技術研究，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展歷程及試驗能力綜述，實驗流體力學, 2019, 33(4): 65-80.