激波風洞成為世界各國競爭的一大黑科技，中美日誰更強？

軍情 06-09

一、為什麼要激波風洞?

從1946年錢學森提出高超音速這個概念到現在已經70年了，我們對於高超音速的研究仍然很為粗淺。這是因為在高超音速飛行中，極高的飛行速度將在飛行器的頭部行程強烈的弓形激波，飛行器周圍的空氣將被這道激波加熱到幾千度，導致空氣分子震動激發、解離、化合甚至電離，使得普通空氣變成一種不折不扣的不斷熱化學反應的複雜介質。這些物理和化學現象通過熱力學過程對於飛行器的氣動力、氣動熱機周圍流場的物理特性產生了重大影響，使得經典氣動力學理論的預計出現了很大偏差。

傳統風洞基於經典氣動力學實驗，其主要要求是流動的馬赫數及雷諾數，在高超音速研究中已經顯得不足。例如，模擬高超音速，要求自由流馬赫數，自由流雷諾數，流動速度，飛行高度壓力，來流總焓，跨過激波的密度比，實驗氣體的組分，壁溫，化學反應進程等等參數。傳統風洞難以達到，激波風洞應運而生，隨著各國對高超音速研究的重視，激波型風洞也就順理成章的成為各個國家競爭的又一個焦點。

二、有些什麼樣的激波風洞?

激波風洞主要分為三大類：加熱輕氣體類，自由活塞類和爆轟驅動。再粗略的分一下，加熱輕氣體類激波風洞主要是依靠高速驅動氣體，而自由活塞類和爆轟驅動依靠的是高壓氣體驅動。

加熱輕氣體的典型代表是俄國的U12和美國的LENS。

自由活塞類的有德國的HEG，澳洲的T3和T4以及日本的HIEST。其中日本的HIEST是目前最大的自由活塞激波風洞，不過也是90年代的構建。

爆轟脈衝風洞儘管提出已經很久，但真的大發展也是最近二十年的事情。我國的JF12，NASA的HYPLUS都是典型代表。

三、典型的激波風洞介紹

1、加熱輕氣體類風洞

美國LENS系列：在美國軍方資助下，在1986年開始研製。風洞最開始的研製目的是為了提供高質量的試驗氣流進行複雜湍流研究，後來為了配合NASP，研究超然衝壓，對風洞進行了改進。風洞布局如圖所示，LENS X是利用LENS II主要部件裝配的大型解離度風洞。(具體參數就不抄了，很牛就是了)。這東西最大的問題是巨大氫氣罐和消耗，這東西的氫氣消耗量是JF12的20倍，使得繼續再走這條路很困難。因此，美國的GASL搞了HYPLUS。

俄國的U12激波風洞始建於1956年，這東西是一個真的巨無霸，高壓段120米，低壓段180米，真空段23米，實驗氣體壓力1~5MPa。可以實驗長三米，直徑0.8米的物品，在馬赫6的條件下實驗時間長達200msec。這個風洞採用了燃燒驅動，導致實驗氣體污染，運行費用極其昂貴，作為目前熱門的復現要求已經不行，不過作為先行者，還是很有價值的。某些網友用T117風洞來和激波風洞做對比，卻恰恰掩蓋了俄國人真正的武器，甚是可惜。

2、自由活塞式風洞

1967年stalker提出工作原理，並得到了廣泛應用。日本的HIEST是該類風洞中尺寸最大、技術成熟、實驗時間長的代表。詳細來說，壓縮管42m，激波管17m，噴管直徑1.2m，喉道直徑50mm，穩定實驗時間2msec.(對比一下俄國人的尺寸，你就知道為什麼那是巨無霸了)。

活塞式風洞儘管不錯，但最大的問題在於實驗時間太短，定常性差(如下圖)。因為其原理決定了，壓縮管內的壓力必然反映活塞的加速減速過程，不存在壓力平台。當膜片破裂產生入射激波後，壓縮管內壓力迅速下降，進而導致激波衰減。反應到數據上就是，哪怕一次實驗中，2msec的時間內也有明顯壓降，其優勢在於壓力較高，不過我國的JF14已經出來了，壓力基本接近，實驗時間遠超日本HIEST。

四、JF12風洞的種種

終於要說到我們的主角JF12了，能上圖的，我就盡量不多說。首先是風洞背景，2003年，美國的國防部(DoD)和航空航天局(NASA)聯合提出了國家空天發展的啟動規劃(National Aerospace Initiative，簡稱NAI)，其中以高超聲速(Hypersonics)、空間進入(Space Access)、空間技術(Space Technology)為三大支柱，通過三者的融合，達到具有遠程攻擊、兩級入軌和軌道機動的能力，實現控制太空的目的。同年12月，相關的專家委員會就進行了論證，並提出了美國高超聲速技術現狀與發展路線圖(Hypersonic Technology Status and Development Roadmap)。

這個報告特別提到：地面試驗裝備能力的提升是高超聲速飛行器技術突破的關鍵。因為任何新型飛行器上天之前，都必須進行大量的地面試驗，其中有關氣動性能的參數都是在風洞試驗中獲取的。然而，對於先進的空天飛行器，目前已有的地面風洞已經不能完全滿足實驗要求了。換言之，這就是說：先進的飛行器需要先進的試驗風洞。上述報告指出，先進的地面試驗風洞亟需具備以下兩種能力：(1)馬赫數8以上推進技術的試驗能力;(2)大尺度、一體化熱結構試驗能力。對於馬赫數的要求，我們不難理解，因為空天飛行器要求高速度。氣動力學家一般把飛行速度超過聲速5倍(即馬赫數5)稱作高超聲速飛行。至於第(1)項要求涉及的高超聲速推進技術試驗能力，和先進空天飛行器的動力有關，目前科學家們在致力於研發一種吸氣式的超聲速燃燒衝壓發動機，這種發動機要求與整個飛行器進行一體化設計。因此，和常規的航空發動機相比，這項推進技術難度很大，需要大量的地面試驗來支撐。

作為最鐵杆的美粉，中國必須跟進。因此中科院力學所在08年啟動了「復現高超聲速飛行條件激波風洞」項目，這也就是後來的JF12風洞。JF12激波風洞的「身長」有265米，風洞噴管直徑可達2.5米，實驗艙直徑3.5米，實驗氣流的速度最高可達馬赫 9，溫度可達3000攝氏度左右。這個大小如何各位可以自行比較。