为何要搞30马赫的超级风洞项目？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-06-23 01:34 标签： 超音速风洞
2022年9月8日晚上9时，据消息称：世界上最大的自由活塞驱动的激波隧道将允许进入中国。中国破纪录的风洞高达33马赫，风速可在1.5~11.5km/s的范围内调节！更让人意外的是，高超音风洞的技术多亏了澳大利亚发明出来的。2022年9月8日晚上9时，据消息称：世界上最大的自由活塞驱动的激波隧道将允许进入中国。中国破纪录的风洞高达33马赫，风速可在1.5~11.5km/s的范围内调节！更让人意外的是，高超音风洞的技术多亏了澳大利亚发明出来的。第一宇宙速度返回的最高速度也就25马赫，就算把高层大气音速降低也不过30马赫，为什么要模拟每秒11.5千米的风速？这个可是妥妥的第二宇宙速度返回，真要造歼星舰吗？高超音速的风洞是拿来干什么的呢？中国破纪录的风洞达到33马赫简单来说，超高速风洞就是一个“实验设备”，一个模拟中心。但是这种设备在现实生活之中，能实现“超能”的境界，主要运用在“航空航天”之上的研究。超高速风洞JF-22是在2018年启动的，我们已经实现了技术的突破。早在2021年，国际最大、整体性能最先进的激波风洞，实现超高速风洞JF-22攻破的“里程碑”。而四川绵阳地区最大的活塞驱动的激波风洞，它能以每秒11.5km的速度，或33公里以上的速度飞行，是用于高超声速武器研究和空间规划。不得不承认，该风洞不仅是世界上最大的高焓风洞，还是由活塞驱动的膨胀管激波风洞，其性能要优于爆轰驱动、燃烧驱动以及轻气体驱动。在冷战期间，苏美就开发大型风洞用于研究高超音速——即速度大于马赫数5的飞行。面对如此高的科技，哪个国家不想拥有。所以在太空竞赛中，澳大利亚是一个次要的参与者，但它创造了这种尖端高超音速飞行技术——指的就是自由活塞驱动激波风洞，也被称为Stalker管。激波风洞是什么呢？激波风洞指的是先利用激波压缩实验气体，再利用定常膨胀方法产生高超音速实验气流的风洞。它由一个激波管以及连于其后的喷管、实验段等风洞主要部件组成。风洞，就是先进飞行器的摇篮。它通过人工产生并控制气流来模拟飞行器周围气体的流动，提供飞行器设计需要的基础数据，是进行空气动力试验最常用、最有效的工具。相对于后期的飞行实验，风洞提供了飞行器研发前期一个高效、方便、经济的试验手段。一架先进飞行器在上天之前，需要在风洞里做上几千上万次的吹风试验。2017年10月19日，我国第一次向世界展示了极为先进的JF12复现高音速激波风洞。这个尖端装备早在4年前便引起了美国国防部持续而密切地关注，甚至有报道显示：这个尖端的科技成果未来可能造成的影响意义深远，它孕育出的一系列装备可能会使美军的导弹防御计划成为废纸，会让美军多年来数千亿美元的投入打水漂。它的实力真的是不容小觑啊，尽管当时美国也有一个指标相类的风洞，但是在某些方面还是有所欠缺。我国的风洞有着自己的独有创意，集成了五大关键创新技术。激波风洞的实现方式高超音速风洞结构中不是大风扇，而是只有一根不同直径拼接起来的管子，而实现的方式也完全超出了想象，一般的实现方式有下面几种：直接加热试验气体产生激波；采用不同能源将试验气源在高压条件下预热到需要的温度状态，然后经过喷管加速膨胀，在风洞试验段获得高超声速高焓流动。通过加热轻气体来产生激波；对于激波风洞来讲，激波动力学理论表明提高驱动气体压力和声速都能够提高入射激波马赫数，获得更高总温的试验气体。他们采用了加热到很高温度的氢气作驱动气体。由于高温氢气对金属具有严重的侵蚀破坏作用，因而在风洞调试中发生了严重事故。而后，他们修改了原来的研制计划。用自由活塞产生高压气体产生激波；在风洞运行时，首先把很重的自由活塞加速到很高的速度，然后依靠自由活塞的惯性动能，压缩激波管里的驱动气体。当驱动气体压力达到设定压力值时，驱动气体与试验气体间的主膜片破膜，形成入射激波，完成试验气体的压缩过程。爆轰驱动空气产生激波的风洞；应用可燃混合气爆轰后的高压燃气作为驱动气体，实现入射激波的产生。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。值得关注的是，30马赫的速度比较特殊，5倍到10倍的声速在大气层里飞行，一两个小时就可以实现到达全球任何一个地方。更何况是30马赫呢，从应用方向推测，30马赫的超级风洞很可能不再局限于对超燃冲压发动机的测试，被测对象大概率会拓展到星际探测飞行器、登月工程的返回舱、航天飞机等太空飞行器上。风洞的出现真要造歼星舰？根据测试风速，风洞可分为低速风洞、高速风洞、超高速风洞。其中，超高速风洞又分为低密度风洞、热冲风洞、脉冲风洞等不同类型。高超音速风洞有多难研制，看看俄罗斯就知道了。俄军挂载于米格-31机腹下的”匕首“导弹，虽号称是高超音速导弹，其实就是陆军的”伊斯坎德尔M“短程弹道导弹的空军版，因为俄罗斯没有堪用的高超音速风洞，所以只能用这种简单粗暴的方式，抢在美国人前面“献礼”。如果需要研制高超音速武器，飞行速度超过5马赫到10马赫之间，就必须要采用激波风洞，才能确保其飞行稳定性。在这方面，中国可以说是领先全球的，而美国则刚刚起步。而真要造歼星舰吗？其实不是的。只是有了激波风洞后，将会设计出更完美的水漂弹道让载人飞船返回地球。做JF-22风洞的一个最基本的思想，奔着国家这样一个天地往返系统，如果做成之后，可以把我们现在卫星发射、航天器发射的费用减掉90%。我们国家已经很强大了，但是我们国家的未来还要复兴。中科院力学所研究员、怀柔激波风洞项目负责人姜宗林曾说过： 只有把你的研究跟国家需求结合起来，它才有高度，只有把你的研究跟民族的需求结合起来，你才有长度。现今，高超声速科技是21世纪航空航天核心关键技术，对人类社会发展和国际战略格局变换将产生重大影响，已经成为国际航空航天大国的国家发展战略。我们要不断地攻克技术，不断地提升国际威望。
2023年06月07日 20:59--阅读 ·
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--评论前两天瀚海狼山（匈奴狼山）已经谈到，全球的风洞，有内部直径越大，实际产生的有效试验风速越低的现象。那些低速大型风洞，明显属于真正的“风洞”，因为其内部直径往往有10米以上甚至超过20米；人在里面就像在巨大的天然山洞或者在地下礼堂里一般。如此宽阔的风洞，最大好处是可以直接把要做吹风测试的汽车、火车甚至战斗机的实体机直接放在风洞里面吹风，得出来的测试结果非常有效。甚至对气流进行部分雾化以后可以直接目视观察。但是巨型风洞的最大缺点，就是吹风的风速一般不会太高，大多数很难超过150米每秒，也就是不到音速的一半。这是因为巨型风洞的吹风动力来源，一般是一台或者多台大功率电动风扇。虽然电力风扇的功率可以一直往上加，最终做到几万马力，甚至更高；但是这里面有一个先天短板，就是大马力电动巨型风扇叶片的末端，是不可以超音速的。这与飞机螺旋桨，包括喷气发动机的前风扇，甚至是直升机旋翼的末端，都很难旋转出超过音速的线速度。因为这些旋转的叶片或者旋翼一旦末端超过音速，就立即会产生猛烈的激波，会当即把叶片与旋翼本身震碎。因此所有的螺旋桨都有专门的降速齿轮系统。而直升机上的一个关键部件就是减速机。由此就可以理解：为何大型风洞驱动电机的总功率可以很大，但就是无法吹出更高速气流的根源所在。而接近高亚音速的风洞或者直接是超音速风洞，则其内部可通过气流的截面积会呈现数量级的缩小。其实此时已经比“风箱”大不了多少。很多都是1到2米级的，因此用来吹风的效应物，大多也是体积不大的缩比例金属模型。风洞内可测试风速越高，其直径相对越小。比如2马赫以上的高超音速风洞，内部直径往往连1米都没有。因为超音速之下，不但高速气流的产生非常困难，成本极高；就是空气在单位时间内的流量也受到很大的限制。超音速风洞在单位时间内维持有效测试气流的成本，却比山洞类巨型风洞还要高得多。因为这类风洞一旦启动，就等于同步启动了多台超音速航空发动机；整个系统甚至会产生低频的咆哮振动波。所以强大的高超音速风洞往往被称为平地起风雷！还有比2到3倍从超音速风洞更离谱的。那就是5到25倍音速的风洞。全球最强的是30倍音速的“变态”风洞，至今地球上也只有1台。单说30倍音速，就可知里面“吹”的已经不是普通的气流，甚至连类似高温高速火焰的等离子体都不是。那已经属于一种极为特殊的爆炸波的范畴。要知道：黑索金高级炸药的爆炸膨胀速度，也不过每秒8600米；而30倍音速的“风”，速度是10200米每秒；全球能达到这个爆速的高级炸药都寥寥无几！那么如何在风洞中产生这种定向吹的“风”，而且还不至于风洞本身的外壳与测试物一起给崩飞，那就是真本身了。据说鹰酱早年也搞过这种风洞，第一次测试，就连厂房带项目经理，一起飞上了天！
中国央视宣布：中国的超级风洞已通过验收，达到30倍音速，领先全球。未来，它将有助于推进天地往返和高超音速武器的研发。该风洞不仅能为国家减少90%的发射成本，而且标志着中国再次领先美国。风洞在航空航天领域的作用不可替代，它加快了飞行器的交付，并为国家进一步减少了发射成本。它是名副其实的“大国重器”。本文将详细介绍新一代风洞性能，并探讨它在五代机、六代机、空天飞机、高超音速武器和大型客机上的作用。最终，我们将得出“再次领先美国”的结论。（插图：正在进行风洞测试的飞行器）1. 30倍音速！央视报道超级风洞风在自然界中是无形的，也很难被控制，但是通过使用风洞，可以将风变成物理形态并可控制大小，然后可以模拟不同的飞行环境进行一系列测试。简单来说，风洞的原理是通过电动风扇产生连续气流，然后让这些气流围着静止的飞行器运动。此外，可以将气流可视化，比如喷烟和油流等方式。风洞不仅可以模拟寒冷、下雨、炎热等不同天气环境，在测试对象的空气动力性能方面也起着至关重要且基础的作用。发动机等重要发明也需要经过风洞测试，因此风洞也被称为“航空航天的摇篮”。JF-22高超音速风洞，即爆轰驱动超高速高焓激波风洞，已经正式通过国家验收。通过对该风洞的介绍，我们可以知道它在国家发展中扮演着不可替代的重要角色，事实也充分证明了这一点。当前全球只有少数国家有能力研发风洞，更不用说风洞群了。然而，中国不仅建造了亚洲最大规模的风洞群，而且还有一个“超级风洞”即将诞生。据报道，在国际重大科研仪器研制项目“爆轰驱动超高速高焓激波风洞”结题验收会议上，验收专家一致同意通过验收，并评价该风洞的综合性能已经达到国际领先水平。JF-22超高速风洞又名“爆轰驱动超高速高焓激波风洞”，由项目负责人姜宗林介绍。该项目的研发时间最早可追溯到5年前，当时，专家们提出了一个设想，即通过激波反射性正向爆轰驱动方式，改变爆轰波头的性质，让它从“不能用”变为“好用”。于是，姜宗林带领科研团队一同开始了研究工作，最终制造出了总长达167米的“超级风洞”。（图解：美国正在工作中的风洞）在一长串的介绍中，所有人的注意力被吸引到了一组数据：“实验气流速度范围3-10千米/秒”，这是什么意思呢？在军事领域，“高超音速”、“超音速”等术语被用来描述飞行器的速度，这与“音速/马赫”的量词单位相关。通常情况下，1马赫等于1倍音速，也等于每秒340米。如果将风洞流速换算成马赫数，那么3-10千米/秒相当于30倍音速或30马赫。高超音速武器最基本的数据标准是速度超过5马赫，因此我国建造的JF-22超高速风洞完全可以被称为“超级风洞”。在未来，通过30马赫的测试，飞机或导弹有望在1-2小时内飞行遍布全球各地，这再次证明了该风洞的性能达到了世界领先水平。此外，我国还采用了创新的反向轰爆激波驱动模式。这种模式使得测试的有效时长能够延长到100毫秒以上，比象美国的LENS-X等西方国家的风洞所达到的有效测试时长长3倍之多。这让我们更进一步地超越了他们，标志着又一次我们走在了美国前面。（插图：MD-22是珠海航展上的一款无人机，是一种临近空间高超声速飞行器）2、高超音速飞行器的研发需要高超音速风洞的支持。姜宗林表示，JF-22超高速风洞将为我国高超音速飞行器和天地往返运输系统的研制提供强有力的支持。高超音速飞行器是一个广义的概念，不仅包括“匕首”等武器，还包括空天飞机和亚轨道飞行器。其中，空天飞机是被视为“航空航天的未来”的重要发展方向。根据分类，空天飞机可以分为一级、二级。一级空天飞机可以衍生出高超音速侦察机、亚轨道轰炸机、高超音速客机等飞行器；而二级可以衍生出轨道轰炸机、太空母舰等航天器。我国的“鸣镝”MD-22宽域飞行器是一种空天飞机。根据数据显示，它曾经在航展上与一些无人机一起展出。外观看起来普普通通，然而旁边的解说词却相当震撼，因为它的速度达到了7马赫，由中科院力学研究所和广东空气动力研究所共同研制，并且直接达到了“高超音速”的水平。虽然许多人将它称为无人机，但确切地说，它其实是一个“近乎空间测试平台”。它采用了乘波体和曲面隐身设计，拥有两个全动尾翼，有关键作用。如果它真的具备了临近空间飞行的能力，那么未来它就可以飞行在20千米以上、卡门线以下的亚太空域。因此，一旦“超级风洞”建成并投入使用，中国就能加速空天飞机的研发速度。此前已经详细介绍过中国可重复使用实验航天器在轨飞行276天后成功返回着陆场，这种可重复使用航天器不仅能够满足民用运输需求，还能够在必要时刻执行军事任务，具有重要的意义。在环球网发布的报道中，这种可重复使用航天器被描述为中国版的“空天飞机”，可以说二者有一定的联系。因此，空天飞机的自由自出空间和重复使用等特点，使其对我国的民用和军用任务具有广泛运用价值。在理想情况下，它能够缩短国际通行时间，在极短时间内从一个地方飞往另一个地方。此外，未来我国可能会采用空天飞机来运载卫星进入轨道，提高发射效率并降低成本。（图片说明：美国X-37B空天飞机已经返回地面）目前来看，虽然我国也拥有类似的“空天飞机”，但在这个领域里，美国是领先者。其X-37B空天飞机于2010年4月22日开始太空飞行，比我们早了近10年，现已完成6次太空任务，每次任务的在轨飞行时间都在不断增加，最后一次甚至达到了908天。虽然这两种飞机都被称为“空天飞机”，但它们的技术路线不同。我国的目标是提供便捷、廉价的往返方式以推动太空旅游，而美国X-37B则更注重军事任务。需要注意的是，在严格的定义下，它们并不能被称为真正的空天飞机，因为它们无法凭借自身动力完成大气层的往返，需要借助火箭等载具的帮助。随着中国在该领域取得重大突破，我们无疑和美国踏上了同一条路。在技术水平上，中国很有可能率先研制成功这种飞机。到那时，我们也就不必再羡慕美国拥有X-37B了。（图解：重型猎鹰是世界上最强的现役运载火箭）3、助力天地往返，为国家节省90%成本前面提到高超速飞行器的同时，我们也应该关注JF-22风洞在天地往返运输系统中的作用。通过前文对航空器的描述，我们能够了解到天地往返的重要性，可以提高发射效率，JF-22风洞的出现可以帮助国家节省至少90%的发射成本。虽然现在越来越多国家竞相发展航天技术，推陈出新，各自研制各种型号的火箭，竞争激烈，但大多数国家都应该意识到，缩减发射成本、提高发射数量才是航天技术发展的有效方向。因此，各国应该通过各种改进的方法，共同追求这个目标。据数据显示，欧洲的“阿利安5号”火箭发射一次需要耗费1.65亿美元，每公斤发射费用高达10313美元；俄罗斯联盟FG火箭的发射成本高达5000万美元，每公斤达到7246美元；中国航天科技集团此前公布的最新报价表明，长征3号乙火箭发射一次需要花费7000万美元，而快舟11号则在6000万美元左右，每公斤发射成本不到10000美元。与此相比，目前全球发射成本最低的无疑是美国，SpaceX公司的猎鹰运载火箭每公斤发射费用仅需1400美元，相当于我国快舟的十分之一。而且，SpaceX公司一直在不断提高技术水平，为进一步降低成本做准备。据此可见，随着未来的发射规模不断扩大，中国开发的JF-22风洞将具备高效的天地往返能力，从而减少卫星或航天器的发射成本。（图片说明：中国JF12风洞的长度为265米，可提供更长的实验时间，明显优于国外同类风洞）4、攻克JF-22离不开攻关团队的努力在JF-22风洞出现之前，我国进行了其他高超声速激波风洞的研究。第一个激波风洞攻关团队成立于上世纪五六十年代，由钱学森和郭永怀领导，他们走出了一条不同于西方的道路——即采用爆轰驱动方式。当时，美国和苏联率先开始进行激波风洞试验。虽然我国直到21世纪才正式开始类似的试验，但我们并没有单纯效仿美国通过机械压缩产生高速气流的做法。相反，我们选择了已被欧美西方国家“判定死刑”的爆轰驱动方法。更具体地说，我们选择了反向爆轰加卸爆段的方式，其主要通过化学爆炸产生高速气流。相比较前者，后者燃料燃烧速度更快，驱动功率更高。经过几十年的努力，我国最终成功研制了JF-12复现风洞，可达到5-9倍音速，实验时间超过100毫秒，是世界上最大、性能最先进的激波风洞。随后，姜宗林及其学生韩桂来接手了前人的事业，开始了新一代激波风洞的研究论证，该风洞被称为JF-22超高速风洞，其驱动能力比JF-12风洞提高了近10倍。值得一提的是，目前JF-22风洞已经通过专家组的论证。也许不久之后，JF-22风洞就能够在与JF-12风洞相同的位置运行。韩桂来表示，在我国两座风洞面世之前，全球仅有美国LENSⅡ与日本的HIEST激波风洞具备同等的先进性。但是现在，我国光飞行器模型比其他国家大得多，因此在未来的实验中也将更加先进。在钱学森和郭永怀的领导下，我国第一支高超声速激波风洞的科研攻关队得以组建。他们聚焦于打造JF-12与JF-22风洞，这两座风洞已经达到世界领先水平，可以与国外风洞直接PK。此外，这两座风洞还可建立唯一一个覆盖近空飞行器所有飞行走廊的地面气动实验平台，前者为飞行器提供低温等飞行环境模拟平台，后者则提供更加极端的条件，如更高的温度。因此，在这两座先进激波风洞的支撑下，科研人员能够更好地进行相关模拟工作，得出更为可靠的验证数据，以推动多型高超声速飞行器的研发。总之，我国能够取得如此成就，是几代人的传承和一路攻关所凝聚的结果。JF-22超高速风洞的研制为未来航天器研发提供了宝贵的资源和支持，这显示了中国在高超音速技术领域的巨大潜力。此外，中国不仅建立了JF-12、JF-22激波风洞和高超音速武器等技术，还构建了庞大的风洞群，其位于川西山区，已成为亚洲最大的风洞群之一。这些风洞在国内外累计完成了超过50万次试验，取得了1400多项科技进步成果，为未来发展带来更大的惊喜。接下来说的是风洞群“创造”出来的各种高科技装备，它们不仅仅包括速度超过5马赫的高超音速武器，还为五代机、六代机、大型客机以及航母打下了坚实的技术基础。因此，航母自身所产生的气流会直接影响到舰载机复飞的成功率。为了避免这种情况的发生，我国的歼-15战斗机在风洞中进行了大量的着陆操作，并模拟在夜间以及各种恶劣的天气条件下完成起降试验。同样地，我国C919商用客机在实现商业首航之前，也需要经过大量的风洞模拟试验，以逐项攻关并确保运营安全。更不用说像五代机、六代机等技术先进的飞行器，它们无疑也离不开风洞的支持。最后，大家对于中国高超音速武器及其强大的超级风洞还有什么想法和故事，欢迎在评论区留言分享。

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