風(fēng)洞——地面巨龍

周岫彬

JF-22超高速風(fēng)洞可以復(fù)現(xiàn)40到100千米高空、時(shí)速最高達(dá)10千米／秒，相當(dāng)于約30倍聲速的飛行條件；

目標(biāo)是助力天地往返系統(tǒng)，若成功可以把衛(wèi)星和航天器發(fā)射費(fèi)用減掉90%；

最核心的技術(shù)，就是通過(guò)正向爆轟驅(qū)動(dòng)器為基本功能，提供平穩(wěn)的驅(qū)動(dòng)氣流。

風(fēng)洞是空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的一種管道狀設(shè)備，由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生氣流，測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)并控制氣流，使流過(guò)洞體試驗(yàn)段的物體處于模擬和再現(xiàn)真實(shí)的大氣環(huán)境，進(jìn)而測(cè)量并獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此研究物體在大氣環(huán)境中的運(yùn)行規(guī)律。

我們要如何理解這個(gè)設(shè)備呢？同一個(gè)物體在空氣中所受力的大小，與該物體和空氣的相對(duì)速度有關(guān)。例如，飛機(jī)在空氣中勻速飛行時(shí)所受到的力，等于飛機(jī)靜止不動(dòng)（與勻速飛行時(shí)同一姿態(tài)），空氣以相同速度流過(guò)飛機(jī)時(shí)飛機(jī)所受到的力。

基于這樣相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物理原理，研究人員固定飛機(jī)、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器模型， 只讓空氣運(yùn)動(dòng)起來(lái)，就能測(cè)量飛行器的受力。隨著風(fēng)洞技術(shù)的進(jìn)步，它可以容納1 ∶ 1 的飛行器模型，這樣得到的數(shù)據(jù)就與實(shí)際數(shù)據(jù)很接近了。

風(fēng)洞的原理看似簡(jiǎn)單，卻涉及空氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)電、聲學(xué)等20 多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)氣流速度不同，可分為低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、高超聲速風(fēng)洞等；根據(jù)用途不同，又有型號(hào)研制的型號(hào)風(fēng)洞、科研教學(xué)的科研風(fēng)洞、模擬沙漠遷移規(guī)律的風(fēng)沙風(fēng)洞、研究飛機(jī)防冰和除冰的結(jié)冰風(fēng)洞，以及研究汽車性能的汽車風(fēng)洞等多種類型。

1958年中國(guó)建造的大型低速回流風(fēng)洞（部分構(gòu)件）

1871年，英國(guó)航空學(xué)會(huì)理事會(huì)成員溫翰姆（Frank H. Wenham）設(shè)計(jì)建造了世界第一座風(fēng)洞設(shè)備；1901年，美國(guó)萊特兄弟為了研制和改造飛機(jī)，建造了一座風(fēng)洞。隨著航空業(yè)的發(fā)展，德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家也開(kāi)始建造風(fēng)洞。

中國(guó)第一座風(fēng)洞誕生于1934年，是由清華大學(xué)自行設(shè)計(jì)的低速風(fēng)洞。1958年，中國(guó)首座大型低速回流風(fēng)洞建成，它也是中國(guó)航空史上使用時(shí)間最久、效率最高、對(duì)飛行器低速空氣動(dòng)力特性的設(shè)計(jì)貢獻(xiàn)最大的風(fēng)洞之一。

經(jīng)過(guò)90余年的發(fā)展，中國(guó)建造并形成了從低速到高超聲速全速域的風(fēng)洞產(chǎn)業(yè)集群。

這里要介紹兩個(gè)概念，高超聲速飛行器和激波。高超聲速飛行器是指飛行速度超過(guò)5倍聲速（在空氣中，聲速在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15攝氏度條件下約為340米/ 秒）的飛行器。激波是一種強(qiáng)擾動(dòng)波，以超聲速傳播，經(jīng)過(guò)激波時(shí)，氣流的溫度、壓力和密度突增，速度快速下降。以宇宙飛船為例，在高超聲速飛行時(shí)，宇宙飛船前部的激波和黏性摩擦阻力，會(huì)使它周圍的空氣被加熱到數(shù)千、甚至上萬(wàn)攝氏度。

世界常用的高超聲速風(fēng)洞有自由活塞驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞、加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞等類型。但自由活塞驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞氣流不平穩(wěn)，試驗(yàn)時(shí)間受限；加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞使用大量氫氣或氦氣，易引發(fā)爆炸。

大型低速回流風(fēng)洞平面示意圖（繪圖/黃金）

中國(guó)著名的力學(xué)家、應(yīng)用數(shù)學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)家郭永懷（1909年4月4日—1968年12月5 日） 曾經(jīng)提出：“大型高超聲速風(fēng)洞將來(lái)是不可缺少的……”但是，以當(dāng)時(shí)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)條件“難以仿效發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)大型常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的途徑，何況常規(guī)高超聲速風(fēng)洞加熱達(dá)到的高溫受限，難以模擬超高速飛行器周圍的高溫繞流?！?/p>

依據(jù)郭永懷先生的理念和規(guī)劃，中國(guó)科學(xué)家提出了系統(tǒng)的爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞理論，建立了完整的高超聲速飛行復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞技術(shù)體系，研制成功了世界首座復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件的超大型激波風(fēng)洞——JF12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞！

2012年，中國(guó)JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞研制成功。它總長(zhǎng)265 米，仿佛一條地面巨龍，可復(fù)現(xiàn)5～9倍聲速的飛行條件，是當(dāng)時(shí)國(guó)際首座超大型高超聲速激波風(fēng)洞，整體性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

而中國(guó)最新建造的JF-22超高速風(fēng)洞比JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞性能更為先進(jìn)，主要體現(xiàn)為：壓力高、速度快、溫度高。作為研制新一代飛行器的搖籃，JF-22超高速風(fēng)洞可以復(fù)現(xiàn)40到100千米高空、時(shí)速最高達(dá)10千米/ 秒、相當(dāng)于約30倍聲速的飛行條件。而它工作的一瞬間，功率與三峽大壩近似！

JF-22超高速風(fēng)洞可用于新型天地往返飛行器的研發(fā)。一旦研制成功，新型天地往返飛行器可以替代目前的火箭發(fā)射模式，實(shí)現(xiàn)重復(fù)飛行，可以把衛(wèi)星發(fā)射、航天器發(fā)射的費(fèi)用減少90％，大大降低發(fā)射成本。

先進(jìn)的風(fēng)洞技術(shù)，支撐著先進(jìn)的飛行器研發(fā)。相信在未來(lái)，風(fēng)洞技術(shù)將有更廣闊的用武之地！

除了飛行器研發(fā)之外，你還能想到風(fēng)洞技術(shù)的哪些應(yīng)用？

（責(zé)任編輯/高琳 美術(shù)編輯 /周游）