可復現每秒10公里的飛行條件，我國JF-22超高速風洞是如何做到的？

我是中國科學院力學研究所韓桂來，目前擔任風洞平臺首席科學家。JF-22超高速風洞是我國的重大科研儀器，也是我們基礎的研究工具。下面，我給大家關心的問題做一個科普層面的解答。

早在1946年，錢學森先生定義了“高超聲速”。至今八十年，人類在這一領域已經種種嘗試。本世紀注定是高超聲速的世紀。

我們的目標聚焦于兩大領域：一個是高超聲速飛機，旨在達成1至2小時的環球旅行；另一個是空天飛行器，水平起降、兩級或多級入軌，有望形成對標火箭的航天發射模式。

這些飛行器的設計都離不開風洞，在研發過程中都要進行成千上萬次的“吹風”。

圖：高超聲速飛機，2小時全球到達，突破“時差”。

圖：兩級或多級入軌飛行器，水平起降代替火箭垂直發射，航天發射成本下降90%以上。

一代風洞、一代飛行器

在天空中，空氣不動，飛行器迎面飛來。在地面，做一個飛行器模型，固定在風洞中，形成氣流來“吹”模型，就能模擬在天上飛行。這就是風洞的原理——相對運動。

不同于普通飛行，當飛行器以高超聲速飛行時，周圍的空氣溫度就變得很高，達到幾千度甚至上萬度，會激發分子振動、解離甚至電離?？諝獠辉俸唵?，變成了極其復雜的介質，導致飛行器的設計面臨意想不到的困難。

經典理論、計算機模擬以及一般性的實驗無法接近真實飛行，難以獲得復雜介質和現象。所以高超聲速的本質困難，不僅是速度高，更是溫度高導致介質復雜，顛覆了基本假設，超出了經典理論范疇。

莊逢甘院士曾說“一代風洞、一代飛行器”。風洞是飛行器的搖籃，與飛行器的發展相輔相成，既是航空航天事業的基石，更是國家戰略科技實力的標志之一。

復現高超聲速飛行條件“困難重重”

高超聲速門檻極高，要想在地面獲得接近真實飛行條件，對風洞能力、測量技術等都提出了極高的要求。

第一重困難，復現“絕對速度”。氣流速度必須達到某個閾值，空氣才會發生解離、電離等，從而產生高溫效應，才能真正捕捉到想要的現象，這對風洞運行狀態的要求非常高。

第二重困難，“精準感知”極端環境。要在極端實驗條件下測量相應的數據，比如飛行器的受力、氣動加熱（哪里最熱、熱到什么程度）、光電磁傳輸特性等，也是極其困難的任務。

第三重困難，揭示“反常規律”、厘清“差異機理”。高速高溫氣流中的復雜作用導致的規律與常規條件迥異，獲取數據只是基礎，把里面的道理講透徹，才是最重要的，也是最困難的。

JF-22超高速風洞

圖：JF-22超高速風洞。

2023年5月，JF-22超高速風洞（全稱：爆轟驅動超高速高焓激波風洞）順利通過結題驗收，位于北京懷柔科學城。風洞全長167m，能夠復現40到90km高空、速度最高達10km/s的極端飛行條件，關鍵技術指標處于國際領先水平。為了便于理解，這里列舉幾個重要參數。

1、有效實驗時間長。JF-22有效實驗時間達到1-40ms（眨眼睛一般200ms）。這是激波風洞領域最長的，其不同運行模式對應的有效時間比同行們長幾倍、甚至幾十倍。

2、氣流總溫高?？倻刈銐蚋撸俣炔拍苓_到，空氣的復雜反應才能發生。把空氣加熱到幾千度已經很困難，而JF-22最高可達近20000K。

3、實驗模型尺度大。JF-22超高速風洞的模型可達2-8m，很多可以做到1:1。因為很多現象和規律尺度相關，模型太小，高溫效應就無法體現，導致偏差。

風洞是否先進，不是單看個別指標，而是要綜合性能領先。

基于爆轟原理驅動的風洞

此前，國際主流驅動方式是機械壓縮，例如自由活塞風洞、加熱輕氣體風洞，我們探索了一條新路，爆轟驅動，用化學能代替機械能。2016年，姜宗林研究員獲得美國航空航天學會“地面試驗獎”，標志著中國的爆轟驅動有了國際地位。

稍微展開一下，爆轟是燃燒的極限形式，能量釋放速度極快，爆轟驅動方法的研究始于上世紀六七十年代，由俞鴻儒院士主導，并于九十年代建成國際首座氫氧爆轟驅動高焓激波風洞（JF-10）。

爆轟驅動有反向和正向兩種驅動形式。反向爆轟驅動利用爆轟波尾的靜止、高溫高壓平臺作為驅動源，占爆轟波能量的10%，我們建成的JF-12復現風洞用的就是這種方式。正向爆轟利用爆轟波頭的能量作為驅動源，它占爆轟波能量的90%。

但是，爆轟波頭像個三角形，是個“不能用”的驅動源。2003年，姜宗林提出“激波反射型正向爆轟驅動”，通過擴容腔形成強激波反射和繞射，構造穩定的驅動源，將“不能用”轉化為“能用”。

正是原理的創新，JF-22的氣流速度達到3-10千米/秒，噴管的輸出功率需要達到數百甚至數千兆瓦。從根本上奠定了JF-22的領先地位。

從原理提出到建成驗收整整20年

有人說：科研創新就是一層窗戶紙，一捅就破。我想說“窗戶紙確實一捅就破，但你可能要花20年才能占領這個房間”，JF-22從原理提出到建成驗收，用了整整20年。

JF-22超高速風洞是一個復雜的體系，是以原理和技術構成的綜合體，我在這里只列舉兩個例子：

1、氣動力測量。風洞實驗時間短，模型在實驗氣流的沖擊下處于小幅度振動狀態。打個比方，我們去買水果，放到電子秤上，等讀數穩了，一看2斤。而在激波風洞實驗時間短，相當于把水果往秤上一扔，數值還在跳動，我們就能分析出1斤9兩6。我們提出分立懸掛式氣動力測量方法，正在向30ms時間邁進，難度急劇增加。

圖：測力天平信號

2、氣動加熱測量。苛加熱對于飛行器而言是致命的，一不小心就會像流星一樣燒掉。我們研制新型的熱流傳感器，通過提出新型結構形式、革新加工工藝等，提升測量分辨率、頻響、靈敏度等性能。3年來，在“青年交叉團隊”項目的支持下，我們構造微納結構熱流傳感器，靈敏度系數由60μV/K提升1個量級，達到 610μV/K。

所以說，JF-22是一個復雜的系統，這些都是團隊長期積累和沉淀的結果。

錢學森、郭永懷奠定基礎，四代人接力傳承

1958年，錢學森、郭永懷在力學所建立“激波管組”。自此以后，俞鴻儒院士畢生堅守，研制激波管、激波風洞、爆轟驅動方法。1999年，姜宗林回國工作，2008年以來領導建成JF-12和JF-22風洞，共同構成國際唯一的復現高超聲速“飛行走廊”的地面實驗平臺。

2010年以來，我直接參與到風洞的研制和建設，逐步成長為風洞平臺的首席科學家。目前，科研團隊職工人數達到30人。

六十八年來，我國走到了國際上激波管、激波風洞領域最前沿的地帶。對于國際同行，我們不再仰望，因為“中國水平就代表了國際水平”。

曾有一位同事總結我們的傳承過往：“創新是歷史的使命，是家國的情懷；創新是向傳統致敬，是深厚積淀之后的爆發；創新是個體燦爛的智慧，更是團隊默默無聞的奉獻；創新是殉道者般的堅持，更是春暖花開的浪漫?！?/p>

來源：騰訊太空

編輯：檸七

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