“吹”出來(lái)的大國(guó)重器，30倍音速超級(jí)風(fēng)洞

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導(dǎo)語(yǔ)：30馬赫超高超音速激波風(fēng)洞-JF-22歷時(shí)5年研發(fā)，通過(guò)驗(yàn)收，即將正式投入運(yùn)營(yíng)。JF-22可復(fù)現(xiàn)40到100公里高空，約30倍聲速的飛行條件，妥妥的大國(guó)重器，高超聲速高焓風(fēng)洞試驗(yàn)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(wú)需強(qiáng)調(diào)的。

央視報(bào)道的JF-22風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

一、源起：錢(qián)學(xué)森為全世界挖了一個(gè)大坑

1946年中國(guó)科學(xué)家錢(qián)學(xué)森曾挖了一個(gè)大坑，那就是“高超音速飛行”的概念，錢(qián)老在《Similaritylaws of hypersonic flows》高超聲速流動(dòng)相似律的論文中首次使用“Hypersonic”(高超聲速)這個(gè)術(shù)語(yǔ)，來(lái)描述氣體速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境聲速的流動(dòng)狀態(tài)。誰(shuí)也沒(méi)想到70多年后的今天全世界都在朝這個(gè)坑里跳。

錢(qián)學(xué)森提出了“高超音速飛行”的概念

從一開(kāi)始用電風(fēng)扇吹風(fēng)，到后來(lái)使用高壓氣體，再到后面用爆炸，各種方法都被運(yùn)用到了“吹風(fēng)”這件事情上。盡管?chē)?guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的相關(guān)研究，使得高超聲速流動(dòng)相關(guān)的理論和計(jì)算方法都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(dòng)的復(fù)雜性，使得高超聲速流動(dòng)規(guī)律超出了經(jīng)典氣體動(dòng)力學(xué)理論能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的范圍，傳統(tǒng)風(fēng)洞難以達(dá)到，激波風(fēng)洞應(yīng)運(yùn)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(guó)高焓激波風(fēng)洞有三個(gè)種類(lèi)：加熱輕氣體、自由活塞和爆轟驅(qū)動(dòng)。

俄羅斯U-12和美國(guó)的LENS系列都屬于第一類(lèi)加熱輕氣體類(lèi)，采用燃燒高聲速的輕氣體作為驅(qū)動(dòng)氣體，試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)成本昂貴，像美國(guó)的LENS-X的氫氣消耗量是JF-12的20倍。而且大量輕氣體的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加熱和排放存在諸多不安全因素，所以美國(guó)后來(lái)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(fēng)洞

第二類(lèi)自由活塞類(lèi)高焓激波風(fēng)洞是利用高速運(yùn)動(dòng)的自由活塞，壓縮產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)氣體，毫無(wú)疑問(wèn)，自由活塞驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞的技術(shù)發(fā)展成熟，已經(jīng)成為高超聲速高焓風(fēng)洞的國(guó)際主流裝備之一。

比如德國(guó)的HEG，澳洲的T3/T4。中國(guó)早期的JF-8A，日本的HIEST于上世紀(jì)90年代建成，以其尺度大、技術(shù)成熟、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)而具有代表性。但活塞驅(qū)動(dòng)技術(shù)最大的問(wèn)題在于試驗(yàn)時(shí)間過(guò)短，最大也不超過(guò)10毫秒。而中國(guó)的JF-12持續(xù)時(shí)間則已經(jīng)達(dá)到100毫秒以上，正是采用的第三類(lèi)爆轟驅(qū)動(dòng)方式。

T3自由活塞激波風(fēng)洞

爆轟驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式。由于氣相爆轟壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可燃混合氣的初始?jí)毫Γ员Z驅(qū)動(dòng)模式是一種更方便、更高效的驅(qū)動(dòng)方法。 JF-12和JF-22都是采用這條路線。除了中國(guó)之外，剛才提到的美國(guó)HYPLUS.也采用了爆轟驅(qū)動(dòng)。

二、中國(guó)“超級(jí)風(fēng)洞”在世界是什么地位？

中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)擁有三大世界級(jí)風(fēng)洞群，JF-22超高速風(fēng)洞建成驗(yàn)收后將與JF-12風(fēng)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(bào)道

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

JF-22超高速風(fēng)洞的上一代是JF-12高超音速?gòu)?fù)現(xiàn)風(fēng)洞長(zhǎng)265米，居世界風(fēng)洞長(zhǎng)度之首，被國(guó)際同行稱(chēng)為“高超巨龍”，是我國(guó)首個(gè)獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)際首座可復(fù)現(xiàn)飛行條件的超大型超高速風(fēng)洞，復(fù)現(xiàn)的是25-50公里的高空，實(shí)驗(yàn)艙最大風(fēng)速可達(dá)9馬赫。正是因?yàn)橛辛薐F-12才研制出東風(fēng)17、鷹擊21和東風(fēng)27這3款高超音速導(dǎo)彈。

JF-12激波風(fēng)洞

如何獲得滿足高超聲速氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究的長(zhǎng)時(shí)間高焓氣流，是發(fā)展激波風(fēng)洞技術(shù)的關(guān)鍵難題之一。JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞和JF-22超高速風(fēng)洞可分別實(shí)現(xiàn)每秒1.5-3km和每秒3-10km的實(shí)驗(yàn)條件。

根據(jù)報(bào)道，JF-22超高速風(fēng)洞的試驗(yàn)?zāi)芰Ρ菾F-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)能力提高10倍，將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)高度提升至50-100公里，速度最高達(dá)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(fēng)洞內(nèi)的最高風(fēng)速可以達(dá)到每秒10209米，17級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)力才每秒60米左右。

三、中國(guó)“超級(jí)風(fēng)洞”的建設(shè)遠(yuǎn)不止“吹風(fēng)”

早在上個(gè)世紀(jì)各國(guó)就已經(jīng)可以“模擬”出流速非常高的風(fēng)洞了。

美國(guó)上世紀(jì)研制航天飛機(jī)時(shí)制造出20馬赫氣流的風(fēng)洞，“模擬”了飛行器再入大氣層時(shí)的速度。但實(shí)驗(yàn)的空氣成分卻與航天飛機(jī)實(shí)際遇到的空氣成分差異巨大，風(fēng)洞設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到激波所導(dǎo)致的熱化學(xué)反應(yīng)，致使配平攻角發(fā)生嚴(yán)重偏差。

位于美國(guó)埃姆斯市的高超音速風(fēng)洞

俄羅斯U-12激波風(fēng)洞是1956年建造的超大型風(fēng)洞，高壓段120米，低壓段180米，真空段23米。當(dāng)時(shí)就可以吹出20馬赫的風(fēng)速，6馬赫以下的實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)200毫秒，性能指標(biāo)并不差，驅(qū)動(dòng)段的長(zhǎng)徑比過(guò)大。這不僅帶來(lái)入射激波的衰減，而且存在邊界層過(guò)度發(fā)展問(wèn)題，費(fèi)用極為昂貴。

傳統(tǒng)風(fēng)洞基于經(jīng)典氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M準(zhǔn)則，如馬赫數(shù)(壓縮性影響)及雷諾數(shù)(黏性影響) 對(duì)于具有化學(xué)反應(yīng)影響占優(yōu)的高超聲速流動(dòng)顯得嚴(yán)重不足，風(fēng)洞技術(shù)進(jìn)入到高超音速階段，能否吹出高速已不再是評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

可能有人會(huì)奇怪，為什么央視新聞在介紹JF-22的時(shí)候你說(shuō)它是超高速風(fēng)洞，而JF-12是復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，注意是“復(fù)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(bào)道

四、從模擬到復(fù)現(xiàn)，打造“中國(guó)超級(jí)風(fēng)洞”

“復(fù)現(xiàn)”就是要求飛行器周?chē)臍饬鳌囟取⒖倝阂约皻怏w的純凈度都要與實(shí)際飛行高度的環(huán)境保持盡可能一致。并且持續(xù)時(shí)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(shí)間、尺寸缺一不可。

原因在于在地面試驗(yàn)設(shè)備上“復(fù)現(xiàn)”高超聲速飛行環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間與大尺度模型試驗(yàn)是極其困難的，目前高超聲速氣動(dòng)試驗(yàn)的諸多難題都是由于試驗(yàn)裝備“復(fù)現(xiàn)”能力不足造成的。

關(guān)于JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)會(huì)專(zhuān)門(mén)撰文說(shuō)：“復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞理論和技術(shù)解決了困擾高超聲速實(shí)驗(yàn)60年的世界難題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)狀態(tài)從流動(dòng)‘模擬’到‘復(fù)現(xiàn)’的跨越，引領(lǐng)了國(guó)際先進(jìn)風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。”

復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所激波風(fēng)洞項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姜宗林在央視報(bào)道介紹： JF-22風(fēng)洞采用了采用了“因技術(shù)難度太大”，早已被國(guó)際同行放棄的“正向爆轟”技術(shù)，能量大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)。

高總溫、高功率、高總壓：

JF-22驅(qū)動(dòng)功率相比JF12風(fēng)洞暴漲4倍，達(dá)到驚人的15000兆瓦，功率直逼三峽大壩裝機(jī)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(gè)大氣壓一直到10000個(gè)大氣壓。

噴口的直徑大：

JF-22吹出的流場(chǎng)直徑更大，有2.5米，一般國(guó)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(lèi)似東風(fēng)-17的HGV高超音速?gòu)楊^就無(wú)需再做等比例縮小的模型。直接拿上去“吹”就可以了。

試驗(yàn)時(shí)間更長(zhǎng)：

JF-22可以實(shí)現(xiàn)2~40 毫秒的試驗(yàn)時(shí)間，在馬赫10的時(shí)候達(dá)到40個(gè)毫秒，比國(guó)內(nèi)國(guó)際的同類(lèi)先進(jìn)水平大概要有幾倍、成倍提高，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的精度也高了。

除此之外，還要控制運(yùn)營(yíng)成本，所以能把以上種種需求完美的結(jié)合起來(lái)，才能稱(chēng)之為“復(fù)現(xiàn)”。風(fēng)洞技術(shù)能從模擬到復(fù)現(xiàn)，實(shí)則為質(zhì)的飛躍。

但是完美復(fù)現(xiàn)的風(fēng)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(lái)JF-22實(shí)現(xiàn)“完美復(fù)現(xiàn)”還有很大的改進(jìn)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(huì)助力我國(guó)新型天地往返飛行器、高超音速飛機(jī)、高超音速飛行器的研發(fā)，比如：騰云工程、空天飛機(jī)，新一代高超音速導(dǎo)彈。

超高速能力的風(fēng)洞對(duì)研發(fā)太空飛行器至關(guān)重要，因?yàn)樘诊w行器需要以每秒11.2公里的超高速穿越大氣層。

中國(guó)神龍一號(hào)空天飛機(jī)示意圖

比如升力式火箭動(dòng)力重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)，特別是第二級(jí)從太空返回后再入大氣層，其高度和速度就會(huì)進(jìn)入JF-22高度區(qū)域。我國(guó)“神龍”航天飛機(jī)只要依靠機(jī)翼滑行水平降落，擁有這一高度的地面風(fēng)洞復(fù)現(xiàn)能力至關(guān)重要，可以說(shuō)JF-22是為中國(guó)未來(lái)的航天飛機(jī)計(jì)劃量身打造，當(dāng)然也不為過(guò)。

兩級(jí)入軌空天飛行器風(fēng)洞自由分離試驗(yàn)

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

結(jié)語(yǔ)：

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

參考文獻(xiàn)：

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

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