“吹”出来的大国重器，30倍音速超级风洞
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导语：30马赫超高超音速激波风洞-JF-22历时5年研发，通过验收，即将正式投入运营。JF-22可复现40到100公里高空，约30倍声速的飞行条件，妥妥的大国重器，高超声速高焓风洞试验技术作为高超声速科技发展的关键支撑之一，其重要性是无需强调的。
一、源起：钱学森为全世界挖了一个大坑
1946年中国科学家钱学森曾挖了一个大坑，那就是“高超音速飞行”的概念，钱老在《Similaritylaws of hypersonic flows》高超声速流动相似律的论文中首次使用“Hypersonic”(高超声速)这个术语，来描述气体速度远远大于环境声速的流动状态。谁也没想到70多年后的今天全世界都在朝这个坑里跳。
从一开始用电风扇吹风，到后来使用高压气体，再到后面用爆炸，各种方法都被运用到了“吹风”这件事情上。尽管国内外已经开展的相关研究，使得高超声速流动相关的理论和计算方法都取得了长足的进展，但于高超音速的研究仍然很粗浅。
这是由于高温气体介质及其流动的复杂性，使得高超声速流动规律超出了经典气体动力学理论能够准确预测的范围，传统风洞难以达到，激波风洞应运而生。
世界各国高焓激波风洞有三个种类：加热轻气体、自由活塞和爆轰驱动。
俄罗斯U-12和美国的LENS系列都属于第一类加热轻气体类，采用燃烧高声速的轻气体作为驱动气体，试验运营成本昂贵，像美国的LENS-X的氢气消耗量是JF-12的20倍。而且大量轻气体的储存、运输、加热和排放存在诸多不安全因素，所以美国后来就研发了HYPLUS.。
第二类自由活塞类高焓激波风洞是利用高速运动的自由活塞，压缩产生高压驱动气体，毫无疑问，自由活塞驱动风洞的技术发展成熟，已经成为高超声速高焓风洞的国际主流装备之一。
比如德国的HEG，澳洲的T3/T4。中国早期的JF-8A，日本的HIEST于上世纪90年代建成，以其尺度大、技术成熟、试验时间长而具有代表性。但活塞驱动技术最大的问题在于试验时间过短，最大也不超过10毫秒。而中国的JF-12持续时间则已经达到100毫秒以上，正是采用的第三类爆轰驱动方式。
爆轰驱动是利用爆轰产生的高温、高压气体作为高压气源的一种驱动方式。由于气相爆轰压力远远高于可燃混合气的初始压力，所以爆轰驱动模式是一种更方便、更高效的驱动方法。 JF-12和JF-22都是采用这条路线。除了中国之外，刚才提到的美国HYPLUS.也采用了爆轰驱动。
二、中国“超级风洞”在世界是什么地位？
中国现在已经拥有三大世界级风洞群，JF-22超高速风洞建成验收后将与JF-12风洞构成能够覆盖全部高超声速飞行走廊。
比较各国风洞的优劣，仅凭媒体透露出来的一些参数细节也只能雾里看花。最关键的还是要看能否利用风洞打造出先进的高超音速武器。
JF-22超高速风洞的上一代是JF-12高超音速复现风洞长265米，居世界风洞长度之首，被国际同行称为“高超巨龙”，是我国首个独立知识产权，国际首座可复现飞行条件的超大型超高速风洞，复现的是25-50公里的高空，实验舱最大风速可达9马赫。正是因为有了JF-12才研制出东风17、鹰击21和东风27这3款高超音速导弹。
如何获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流，是发展激波风洞技术的关键难题之一。JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞可分别实现每秒1.5-3km和每秒3-10km的实验条件。
根据报道，JF-22超高速风洞的试验能力比JF-12复现风洞的驱动能力提高10倍，将实验目标高度提升至50-100公里，速度最高达到30马赫。声音的传播速度为每秒340米，1马赫就是指每秒340米，JF-22风洞内的最高风速可以达到每秒10209米，17级超强台风中心风力才每秒60米左右。
三、中国“超级风洞”的建设远不止“吹风”
早在上个世纪各国就已经可以“模拟”出流速非常高的风洞了。
美国上世纪研制航天飞机时制造出20马赫气流的风洞，“模拟”了飞行器再入大气层时的速度。但实验的空气成分却与航天飞机实际遇到的空气成分差异巨大，风洞设计没有考虑到激波所导致的热化学反应，致使配平攻角发生严重偏差。
俄罗斯U-12激波风洞是1956年建造的超大型风洞，高压段120米，低压段180米，真空段23米。当时就可以吹出20马赫的风速，6马赫以下的实验速度可达200毫秒，性能指标并不差，驱动段的长径比过大。这不仅带来入射激波的衰减，而且存在边界层过度发展问题，费用极为昂贵。
传统风洞基于经典气动力学实验模拟准则，如马赫数(压缩性影响)及雷诺数(黏性影响) 对于具有化学反应影响占优的高超声速流动显得严重不足，风洞技术进入到高超音速阶段，能否吹出高速已不再是评价其优劣的唯一标准。
可能有人会奇怪，为什么央视新闻在介绍JF-22的时候你说它是超高速风洞，而JF-12是复现风洞，注意是“复现”二字，而不是“模拟”，那么二者有什么区别呢？
四、从模拟到复现，打造“中国超级风洞”
“复现”就是要求飞行器周围的气流、温度、总压以及气体的纯净度都要与实际飞行高度的环境保持尽可能一致。并且持续时间还不能太短，喷口的直径还要足够大，能够容纳全尺寸飞行器模型为最佳。环境、时间、尺寸缺一不可。
原因在于在地面试验设备上“复现”高超声速飞行环境下的长时间与大尺度模型试验是极其困难的，目前高超声速气动试验的诸多难题都是由于试验装备“复现”能力不足造成的。
关于JF-12复现风洞，中国空气动力学学会专门撰文说：“复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速实验60年的世界难题，实现了风洞实验状态从流动‘模拟’到‘复现’的跨越，引领了国际先进风洞试验技术的发展。”
根据中国科学院力学研究所激波风洞项目负责人姜宗林在央视报道介绍： JF-22风洞采用了采用了“因技术难度太大”，早已被国际同行放弃的“正向爆轰”技术，能量大，驱动强。
高总温、高功率、高总压：
JF-22驱动功率相比JF12风洞暴涨4倍，达到惊人的15000兆瓦，功率直逼三峡大坝装机总功率（22000兆瓦）。可以做到2500摄氏度到18000摄氏度，而总压可以做到100个大气压一直到10000个大气压。
喷口的直径大：
JF-22吹出的流场直径更大，有2.5米，一般国外最大直径的话1.5米，这样的话你可以放更大的飞行器。类似东风-17的HGV高超音速弹头就无需再做等比例缩小的模型。直接拿上去“吹”就可以了。
试验时间更长：
JF-22可以实现2~40 毫秒的试验时间，在马赫10的时候达到40个毫秒，比国内国际的同类先进水平大概要有几倍、成倍提高，实验的结果的精度也高了。
除此之外，还要控制运营成本，所以能把以上种种需求完美的结合起来，才能称之为“复现”。风洞技术能从模拟到复现，实则为质的飞跃。
但是完美复现的风洞并非一蹴而就，50-100公里这样的高度人际罕至，特别是一些边界条件更难以模拟。未来JF-22实现“完美复现”还有很大的改进空间。
五、JF-22支撑太空天地往返
所以JF-22建成后可以模拟航天器重返大气层的环境，将会助力我国新型天地往返飞行器、高超音速飞机、高超音速飞行器的研发，比如：腾云工程、空天飞机，新一代高超音速导弹。
超高速能力的风洞对研发太空飞行器至关重要，因为太空飞行器需要以每秒11.2公里的超高速穿越大气层。
比如升力式火箭动力重复使用航天运输系统，特别是第二级从太空返回后再入大气层，其高度和速度就会进入JF-22高度区域。我国“神龙”航天飞机只要依靠机翼滑行水平降落，拥有这一高度的地面风洞复现能力至关重要，可以说JF-22是为中国未来的航天飞机计划量身打造，当然也不为过。
乘波体弹头也可以装在东风-31或东风-41上面，成为一款洲际高超音速导弹，这样其速度将会超过20马赫，为了确保乘波体弹头飞行时的空气成分、温度和最终命中精度。只有5-9马赫“复现”能力的JF-12就无法满足了，JF-22的出现正填补了这个空白。
结语：
中国超高速风洞从零起步，突破多项“卡脖子”的技术瓶颈，不断推出世界最高水平级别超高速风洞，一起期待JF-22带来更多大国重器的科研成果。
参考文献：
[1]姜宗林. 中国高超风洞的理论创新与工程实践[J]. 工程研究——跨学科视野中的工程,2022. DOI: 10.3724/j.issn.1674-4969.22061501
[2]长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究，文章编号：0459-1879(2012)05-0824-08
[3]高超声速高焓风洞试验技术研究进展， 空气动力学学报：10.7638/kqdlxxb-2019.0009
[4]自由活塞高焓脉冲风洞发展历程及试验能力综述，实验流体力学, 2019, 33(4): 65-80.