我国 JF22 超高速风洞预计 2022 年建成，JF22 超高速风洞有什么优势和科研意义？ 第1页

太长不看版的答案：JF22激波风洞的上一代风洞综合性能就已经达到了世界第一，JF22的建设已经是独孤求败级的自我超越了。

在介绍JF-22之前，我们先来回顾一下我国的风洞发展路线。我国当前拥有三大国家级风洞试验基地，分别是隶属于解放军战略支援部队的中国空气动力学发展中心，位于四川绵阳；隶属于中航工业集团的空气动力研究院，位于沈阳和哈尔滨；以及今天文章主角JF22所在地，中国科学院力学研究所风洞群。这三大风洞群，以中国空气动力学发展中心规模最为庞大，低速、高速、超高速风洞一应俱全，光激波风洞就有三台FD-14A，14B和14C，最高可以支持高达24马赫，喷管口径2米的试验，但高马赫数下的试验时间较短。除此之外还有各种电弧风洞，高压下吹-真空抽吸暂冲式风洞等等用于不同种类的试验。而中航工业空气动力研究的风洞主要是供大气层内飞行器试验使用的风洞，以中低速大型风洞和较小的超音速风洞为主，最大马赫数4左右，没有高超声速风洞。

而中科院力学研究所则是我国乃至世界高超声速领域的翘楚，先后建立了中国第一座激波风洞JF-8A激波/自由活塞兼用型风洞，世界上第一座正式运行的氢氧爆轰高焓激波风洞JF-10，以及世界上综合性能最好的JF-12长试验时间高超声速激波风洞。这些风洞可以说为中国在不论是超燃冲压还是超音速飞行器设计甚至在高超基础理论发展上的突飞猛进立下了汗马功劳。

讲到这我估计小伙伴们都晕了，什么什么玩意儿？激波风洞到底是啥？啥是自由活塞？啥又是氢氧爆轰？甚至有小伙伴都不大清楚现在不是有超算吗？为啥咱还一定需要那么多风洞呢？这就来解答。

风洞是空气动力学研究中不可或缺的试验器材，它可以检验气动设计，进行飞行力学和风工程等领域的研究和试验，1985年，中国空气动力研究与发展中心面临裁撤的风险，钱学森据理力争希望保留这个当时中国最大的风洞群，他和当时最高领导人有了以下的对话：

邓：有人提出电子计算机发展到今天，气动特性已经可以用计算机来求解，是不是不一定需要用风洞吹风了？
钱学森：是有这种可能，但现在计算机的计算速度还达不到这个地步，将来计算速度和软件技术进一步提高有这种可能。即使到那个时候，风洞试验还是需要的，要看看计算的结果符不符合试验的结果，需不需要对计算方法进行修正。所以我们应大力发展计算机和软件技术。
邓：听说由于气动中心吹风需要大量的电能，已经影响到西南地区的工业生产了？
钱学森：如果我们走美、苏研制航天飞机用的高马赫数、高雷诺数、吹风时间几十秒级的超大型风洞的路子，确实存在这个问题。美国、苏联在这类吹风时，风洞所在整个城市用电都受影响。所以，我们不主张走美、苏发展超大型风洞的路子，而是发展激波风洞，下决心走短脉冲（几毫秒至几十毫秒）的道路，以节约投资和电资源。

事实上，钱老自己就是高超声速概念的提出者，他在1946年发表在美国《数学与物理》期刊上的论文《Similarity Laws of Hypersonic Flows》首次定义了Hypersonic（高超声速）这个概念。在他回国后，1956年国家批准成立力学研究所成立，钱学森担任授任所长，他的副手是大名鼎鼎的郭永怀。在高超声速的飞行中，极高的飞行速度会在飞行器的一些部位产生激波，部分钝部位可以产生强烈的弓形激波，这些激波可以对周围的空气产生强烈的加热作用，空气分子在几千度的高温下振动激发，解离，化合甚至电离，这使得普通空气变成了一种不断发生热化学反应的复杂介质。亚音速的有限元仿真尚不能完全精确模拟吹风结果，在高超声速下，由于算力和物理模型的不完善，计算机对飞行器在高超声速下的模拟程度相当有限，这更加凸显了风洞的重要性。

高超声速不是一个新概念，60多年前就有了不少尝试性的研究，但多年来发展步履维艰，其中最重要的缺陷就在于缺乏可复现的风洞。美国X-43A，X-51A，HTV-2等高超声速飞行器遇到的难题，很大程度上都与气动力和热规律摸不清楚。这里面最重要的概念就是“复现”！

何为复现？就是要求在被试物体周围的气流，总温和总压以及气体的纯净度要和实际飞行器的飞行环境高度一致；试验时间不能太短；喷口出口直径要能容纳进全尺寸或者接近全尺寸的模型，这三项要求达到地越完美，这台激波风洞就越先进，当然还必须要控制成本，风洞的意义就在于可以进行频繁地低成本的试验，如果成本过高，那还不如制造实体在真实的高空高速中试验呢！其实人们很早就可以制造流速非常高的风洞，比如苏联在中央机械制造研究所（ЦНИИмаш）制造的U-12激波风洞，这座1956年就建设的风洞可以模拟接近20马赫的高速，喷管出口直径500-1400毫米，6马赫速度下能产生整整200毫秒的试验时间，但运作成本奇高无比，产出效率并不高。这让我想起了苏联在1975年建成的经纬台式大型望远镜（Большой Телескоп Альт-азимутальный），一度霸占世界上口径最大的光学天文望远镜宝座17年，但指标上的优势并没有转化成相应的科研成果。苏联类似的事情时有发生，体制问题，体制问题[DOGE]。。。而美国在研究航天飞机再入返回时也使用了超过20马赫的风洞进行吹风，结果实机造出来试飞过程中发现了配平攻角高出设计值一倍的严重异常。什么原因造成的？就是美国使用的风洞虽然马赫数达到了标准，但由于其采用的设计，试验气体成分和航天飞机实际遭遇的高空空气成分差异较大。还记得一开始我说的，高超声速时不光要考虑纯粹的空气动力学，还要考虑气体不断发生热化学反应的难题么？所以这种偏差就来自于风洞“复现”能力的不足。于是后来美国在军方的资助下于1986年开始研制LENS I，LENS II和LENS X激波风洞，利用双模片技术，极大地提升了复现能力。

那么何为激波风洞呢？激波风洞是脉冲式风洞的一种，我们都知道要想低成本地在地球表面上获得十几马赫的高速气流，唯一的方法就是通过急促地压缩气流或者爆炸来实现。脉冲风洞有通过电弧脉冲放电来压缩和加热气体的风洞，也有利用活塞压缩的风洞，最后就是利用激波压缩和加热气体的风洞，被称为激波风洞。激波风洞也分为几种类型，一种是通过加热轻气体（如氢气，氦气）来产生激波，上面提到的苏联的U-12，美国的LENS系列风洞都是这种类型的风洞；一种是使用自由活塞产生高压气体，典型代表是日本国家航天实验中心的HIEST和我国的JF-8A，活塞驱动激波风洞试验时间普遍比较短，且运行成本高；最后一种便是爆轰驱动风洞，我国JF系列风洞主要走的是这条路线，甚至还夺了几个国际首次，当然爆轰驱动中具体激波是怎么样压缩气体，卸爆段，爆轰腔，激波管，膜片分别是啥，包括反向爆轰，正向爆轰以及双爆轰等具体驱动模式，过于专业，有兴趣的朋友可以根据我提供的这些关键词直接找论文看，我就不展开了，对于咱普通关心中国风洞发展的小伙伴来说，大概知道基本原理就行了：这些激波风洞就是通过各种方法瞬间制造一个高温高压的气体，气体产生入射激波，这些激波来压缩被驱动段中的气体，然后这些气体顺着喷管喷射到被试物体上，这样相当于爆炸和被试物体是间接作用的，避免了普通脉冲风洞直接气体接触的污染。

由于钱学森和郭永怀两为巨佬的存在，我国的高超声速风洞的发展从一开始就没落下，而且不光是装备体系建设，人才培养也颇有成果。俞鸿儒院士就是两位巨佬的研究生，是我国第一代激波风洞研制的中坚力量。1962-1964年，他带领团队先后研制成JF-4直通型激波风洞和JF-4A反射型激波风洞；4年后，我国首座JF8激波风洞问世，60年代性能参数就已经达到国际一流水平；1997年，建成氢氧爆轰驱动高焓激波风洞JF-10，成为国际首座成功运行的爆轰驱动激波风洞，为我国高超声速风洞的研究奠定了坚实的基础，而俞鸿儒也从风华正茂的年轻人变成年近七旬的长者。

1999年俞鸿钧院士把在日本东北大学流体科学研究所激波研究中心任副教授的姜宗林引进回国，姜宗林带领团队自2006年开始，在财政部“国家重大科研装备研制”项目支持下，经过两年论证，四年建设，于2012年建成世界上最大，性能最先进，能够复现（注意我使用的是“复现”二字，而不是“模拟”）25-50千米高空，5-9马赫，试验段直径高达3.5米，有效试验时间长达100毫秒的超大型高焓激波风洞JF-12，在这样的空间里，东风17、26等导弹的弹头是可以完全不做缩比模型直接放在试验段试验的，这个巨大的风洞还测试什么有趣的东西，现在的人们还不得而知，目前我所知道的信息，是有至少两个国家重大专项和一大堆航天型号的试验就是在JF-12里做的。因为突出的贡献，JF-12被授予2016年度国家技术发明二等奖，就连美国人都给JF-12的主要带头人姜宗林颁了奖。

除了风洞本身外，中科院力学所还开展了“复现飞行条件下高超声速气动力测量技术研究”的项目，用以充分发挥我国在高超声速地面试验设备上做具备的优势，在JF-12风洞上开展系统的气动力试验研究，提高它的测力精度，并探索高温真实气体（注意是真实气体，这是一个JF-12风洞的不显眼但极为重要的优势）效应对高超声速气动力的影响规律，因为这样的测试环境得天独厚，这些研究内容在全世界都是首次！利用这样世界领先的神器，完全可以开展一些高超工程性质的试验，比如超燃冲压发动机的研制：

但是，已经遥遥领先的中国人还觉得不够，因为JF12的模拟速度偏低，还是不能满足超过第一宇宙速度再入级别速度的模拟，于是几乎能包含全部的大气层内飞行速度和高度的超级风洞于2018年开建。它的设计目标是覆盖40-90千米，马赫数10-30这个级别的试验能力，利用正向爆轰驱动方式，在极高的速度下维持不短的测试时间和不小的测试空间。既然央视发出了报道，其实就是在说该项目重要的重难点均已突破，等明年按计划落成后，又将把世界激波风洞的制高点，往上抬高不少。

说实在的，JF-22的测试条件是如此的高，以至于很多导弹武器，乃至于超燃冲压发动机试验都不需要那么好的风洞，因为都达不到那么高的速度…… 我能想到的用途，恐怕也只有天地往返航天器在高空再入时的复现级模拟了，毕竟近地轨道的再入速度也不过只有7-8公里/秒左右，这玩意可以以很高的气流质量模拟9公里/秒，着实变态。

我一直是腾云等完全可重复使用天地往返飞行器的忠实拥趸，现在有了JF-12和22等风洞，刚好一个覆盖其大气层内飞行和分离，一个覆盖高空再入，可以说拥有了完全的地面复现能力，希望这个大杀器能够早日建成，助推人类下一代航天之光！尽管腾云技术难度很大，能不能做到期待中的缩减近地轨道运输成本整整一个数量级的目标现在我们无法得知，但现在的原型机开发喜人的进度已经让我们看见了隧道尽头的光亮。

雄关漫道真如铁，而今迈步从头越！

原文发布于微信公众号“萌虎鲸的远望”，有删改