中國又研製出世界唯一技術：領先全球7年，這次只有我們做到了

12月14日，據國內媒體報道，中國航天空氣動力技術研究院自主研發建造的我國首座、國際最大口徑的自由活塞驅動高能脈衝型風洞於近日成功完成氫氧燃燒推進試驗，實現了5毫秒（0.005秒）時間內，氫氣在速度近3千米/秒（10000公里/小時）空氣中的超聲速自主燃燒，並獲得了超聲速燃燒模態下的試驗數據和火焰圖像。該風洞是我國首座、國際最大口徑自由活塞驅動高能脈衝型風洞，據悉，目前國外在建的同類型風洞要在7年後建成，而我國還在開發更大更先進的。此項試驗的成功，不僅標誌著該高能脈衝風洞正式邁入實用化階段、真正成為先進飛行器的孵化器，更表明此風洞的3千米/秒（10000公里/小時、馬赫10）量級氫氧燃燒推進試驗能力取得關鍵性突破，從而為我國的超高速超燃衝壓發動機研究提供了良好的技術儲備。

此舉將大幅加快天地往返運輸系統動力技術的革新進程。本文根據國內外公開資料對此做一背景分析。可重複使用高超聲速飛行器在未來具有極其廣泛的用途: 作為運輸客機，它可以在兩個小時之內由北京飛抵紐約，實現環球旅行的早出晚歸；作為跨大氣層的空天運輸器，它可以幫助人們實現經濟、高效的太空開發和利用;在第六代有人戰鬥機研製中，可持續高超音速飛行是與現有五代機最大的區別和優勢。但是要實現人們期望的高超聲速飛行, 還有許多問題必須解決。首先，受飛行器尺度的制約，發動機的長度都是有限的，一般不超過2至3米長，空氣在發動機內的滯留時間只有數毫秒。

要在這麼短的時間內完成燃料與空氣的混合以及混合氣的點火、燃燒、放熱等一系列物理化學過程，其困難顯而易見，好比在高強度龍捲風中實現了一根火柴的點燃及穩定燃燒。為了提高燃料在超高速運動環境下燃燒穩定性，人們一般採用氫氣（液氫儲存然後氣化釋放)作為燃料，避免常規烴類燃料在高速運動燃燒時需先噴射、霧化、汽化等難題。其次，高超聲速飛行器與傳統的超聲速飛行器有著明顯不同的構型，這種差別是由高超聲速流動的特點引起的。類似美國太空梭的飛行器再入大氣層時，飛行器表面激波層的氣體溫度可達六七千度。而類似阿波羅（Apollo）登月艙一類的飛行器再人大氣層時則要經受上萬度的高溫。2003年1月美國哥倫比亞號太空梭返回地面時在空中解體 ，就是由於超聲速氣流產生的高溫作用在飛機左側機翼前端隔熱層破損處，造成太空梭結構迅速損壞，機毀人亡。

為了開展高超聲速飛行器的研究，必須儘可能地模擬飛行器的實際飛行環境，其主要的地面試驗手段包括火箭橇試驗和風洞試驗。火箭橇試驗能包羅各種速度段，可模擬高超聲速飛行器的整個過程。由於火箭橇試驗成本巨大，一次試驗有時需耗資數百萬到數千萬元，一般用於高超聲速飛行器在實際飛行前所需要進行的最後地面性試驗。公開資料稱，美國火箭橇試驗技術代表著全球最高水平。至今試驗的最高速度可達6到12倍音速。美國所有衝壓式發動機的國家定型試驗均是通過採用火箭橇試驗來完成的。

而風洞試驗主要開展研製初期的部件級或原理級試驗，可長期，高頻率，低費用重複使用，可以大大加快原理樣機的研製步伐。空間再入飛行器和行星探測器返回地球時，其速度會超過6公里/秒，飛行器表面熱流甚至會超過3000兆瓦/平方米，會產生數千度的高溫，普通的連續式超音速風洞設備很難滿足要求，只能採用能夠產生非常高的溫度和壓力的暫沖式風洞，即所謂高焓激波風洞。雖然有效試驗時間只有毫秒級別，但由於大量先進測試儀器的成功運用，已可在如此短暫的有效時間內，用於研究飛行器在超高聲速狀態下的複雜氣體動力學、氣動光學、氣動聲學等問題。目前高焓激波設備上已能開展超燃衝壓發動機試驗、高超速飛行器拋殼和級間分離試驗、高超聲速進氣道試驗、大比例模型模擬自由飛試驗、全模測力試驗、飛行器動穩定性試驗、多台發動機噴流干擾試驗等。高超聲速飛行器高焓激波風洞試驗和高速火箭橇試驗是同時存在，並且相互補充的關係。

超高速的激波風洞按以何種方式加速氣體又可細分為以下四種：採用輕質氣體驅動、電加熱氣體驅動、燃燒加熱輕質氣體（正、反向爆燃或爆轟驅動）、壓縮加熱輕質氣體（自由活塞驅動）。由於輕質氣體驅動和電加熱氣體驅動不能模擬超高溫環境，因此高性能驅動方式主要為爆轟驅動和自由活塞驅動。我國的中國科學院力學所就擁有一座爆轟驅動激波風洞。爆轟驅動激波風洞雖然提供的有效試驗時間長、運行成本低、擴展性好，但在試驗溫度和速度等關鍵性能上比自由活塞驅動激波風洞低，因此為滿足我國高超音速飛行器試驗的迫切需求，建設一座高性能的自由活塞驅動激波風洞已勢在必行。

據公開資料披露，中國航天空氣動力技術研究院的自由活塞驅動高能脈衝型風洞總長170米，總重600噸，試驗段總容積達230立方米，高速氣體噴管出口達到2米量級，試驗模型可以長達2米以上，試驗段口徑據世界第一。為滿足多種試驗環境需要，可進行常規激波風洞運行試驗、高焓激波風洞運行試驗和長時間普通風洞運行三種模式試驗，實現了多快好省相結合。據資料披露，目前3千米/秒，約10倍音速的氫氧燃燒推進試驗並不是其參數極限。當試驗技術進一步成熟後，該風洞還能進行最大飛行速度達6千米/秒（約18倍音速），飛行器表面溫度達8000℃的高超音速飛行器及發動機模擬試驗。

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