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)射費用減掉90%；

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

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

我們要如何理解這個設(shè)備呢？同一個物體在空氣中所受力的大小，與該物體和空氣的相對速度有關(guān)。例如，飛機在空氣中勻速飛行時所受到的力，等于飛機靜止不動（與勻速飛行時同一姿態(tài)），空氣以相同速度流過飛機時飛機所受到的力。

基于這樣相對運動的物理原理，研究人員固定飛機、運載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等飛行器模型， 只讓空氣運動起來，就能測量飛行器的受力。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)就與實際數(shù)據(jù)很接近了。

風(fēng)洞的原理看似簡單，卻涉及空氣動力學(xué)、材料學(xué)、機電、聲學(xué)等20 多個專業(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，又有型號研制的型號風(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年中國建造的大型低速回流風(fēng)洞（部分構(gòu)件）

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

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

經(jīng)過90余年的發(fā)展，中國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5倍聲速（在空氣中，聲速在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15攝氏度條件下約為340米/ 秒）的飛行器。激波是一種強擾動波，以超聲速傳播，經(jīng)過激波時，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，宇宙飛船前部的激波和黏性摩擦阻力，會使它周圍的空氣被加熱到數(shù)千、甚至上萬攝氏度。

世界常用的高超聲速風(fēng)洞有自由活塞驅(qū)動風(fēng)洞、加熱輕氣體驅(qū)動風(fēng)洞等類型。但自由活塞驅(qū)動風(fēng)洞氣流不平穩(wěn)，試驗時間受限；加熱輕氣體驅(qū)動風(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）

中國著名的力學(xué)家、應(yīng)用數(shù)學(xué)家、空氣動力學(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)洞將來是不可缺少的……”但是，以當(dāng)時中國的經(jīng)濟條件“難以仿效發(fā)達(dá)國家研發(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。”

依據(jù)郭永懷先生的理念和規(guī)劃，中國科學(xué)家提出了系統(tǒng)的爆轟驅(qū)動激波風(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JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞研制成功。它總長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)時國際首座超大型高超聲速激波風(fēng)洞，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。

而中國最新建造的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，實現(xiàn)重復(fù)飛行，可以把衛(wèi)星發(fā)射、航天器發(fā)射的費用減少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，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）