先進風洞助力導彈研發，各國專家對風洞態度各異
洲際彈道導彈發射
近期，我國火箭軍成功進行了洲際彈道導彈12000千米的全程試射，彈頭準確命中目標海域，順便還創下了全球導彈實射最遠紀錄。
其實，我國導彈能打得這麼準、高超聲速武器領先全球，關鍵原因是我國擁有一套全球獨一無二的先進風洞系統，其中的代表是兩款世界最先進的風洞：JF-12和JF-22，J代表激波，F代表風洞，12和22是系列號。
去年，央視曾詳細報道了這款JF-22超高速風洞（爆轟驅動超高速高焓激波風洞），它能復現30倍聲速的飛行條件，爲研發天地往返飛行器、高超聲速導彈以及第六代戰機提供重要助力。項目負責人稱，其綜合性能指標領先西方“大約20至30年”。對此，國外科學家對建造大型風洞羣有不同的看法。
01
現代飛行器設計依賴風洞
風洞可以產生強力的氣流，能模擬飛行器高速飛行時氣流的作用效果，是飛行器設計中關鍵性的實驗裝置。有一代風洞一代飛機的說法。
現代飛行器的研發對風洞依賴性很大，例如，美國研製B-52轟炸機，進行了約1萬小時的風洞實驗，到了研製第一架航天飛機時，則進行了約10萬小時的風洞實驗。
南天門計劃中的白帝在做風洞實驗
科研人員在設計飛行器時，必須要確定它的空氣動力學特性，也就是需要知道空氣作用在這款飛行器上的變化規律。理論上，可以使用計算流體力學（CFD）軟件來驗算，但當前流體力學公式尚無法反應真實世界中空氣流動的全部變化，最後還是需要到天上做實驗驗證。
當初，我國在設計殲八時，由於沒有超聲速風洞，沒法搞清楚殲八的氣動特性，便無法解決超聲速飛行時的方向安定性問題和跨聲速時飛機的抖振問題。殲八的總設計師顧誦芬只能讓原型機身上貼滿毛線飛行，他從另一架飛機上通過觀察毛線的運動狀態來分析殲八的氣動特性。但這種辦法必須先造出能飛的原型機然後再改進，可想而知沒有風洞條件下研發飛行器有多困難。
風洞能從管道中吹出特定速度、溫度、氣壓的高速氣流，把等比微縮的模型放進風洞吹，就能模擬飛行器在各種環境下的飛行狀態，用傳感器測量空氣在飛行器表面的氣動力情況，便能大大加塊飛行器的設計進度。
JF-12和JF-22風洞
02
另闢蹊徑的中國風洞
風洞的原理很簡單，就是想辦法產生高速氣流，當然這也是最難的部分。
風速小於0.8馬赫的低速風洞用大風扇吹就行。速度在0.8到1.2馬赫的稱爲跨聲速，小於5馬赫爲超聲速，超過5馬赫的叫高超聲速風洞。
馬赫數是速度與聲速的比值，通常用於描述飛機、火箭等飛行器的飛行速度。由於聲速受高度、溫度、大氣密度的影響，有不同數值，因此“1馬赫”的具體速度其實並不固定。通常認爲，1馬赫是340米每秒，洲際導彈的末端速度達30馬赫，就是10.2千米每秒。
在風洞實驗段安放模型
傳統超聲速風洞使用“自由活塞驅動技術”不斷給空氣加壓並儲存在高壓氣罐中，然後一次性釋放，產生高速氣流。這種方法需要消耗大量能源，因此這種風洞需要配專門的發電站甚至水庫。產生的高速氣流速度雖然宣稱最高能達到30馬赫（美國LENS系列激波風洞），但持續時間僅有幾毫秒。
而中國風洞研究另闢蹊徑，選擇了國際上當時已經放棄的用爆炸產生高速氣流的技術路線。經過三代人的努力，中國風洞的技術水平已領先世界。
03
中國風洞人
兩彈一星功勳科學家錢學森，作爲空氣動力學專家在1946年提出高超聲速概念，定義了馬赫數大於5就屬於高超聲速飛行。回國後的錢老在1956年將郭永懷召回祖國，主持高超聲速相關研究。
錢老作爲流體力學的大師，很早就意識到邊界條件、計算算力、誤差、模型精確性等制約因素讓模擬計算無法替代風洞實驗。郭永懷也意識到風洞設備的重要性，便支持他的學生俞鴻儒開展脈衝型風洞的研究。2024年4月，96歲高齡的俞鴻儒院士走上感動中國年度人物講臺，爲我們講述了中國風洞的故事。
俞鴻儒說，當時這個風洞項目是一個沒技術、沒人才、沒資金的“三無”項目，郭老師把項目交給自己，應該是看中自己腦袋瓜好使，動手能力強。並且老師很寬容，給了10年時間，不要總結、不要彙報，只要求不能傷人死人。
爲啥會死人呢？因爲俞鴻儒選擇了成本最低，不需要壓氣機的氫氧燃燒路線。用氫氧混合氣爆炸產生高速氣流，這雖然省錢但很危險，是國外早已放棄的技術路線，但俞鴻儒的項目沒錢，只能選這條路。
腦瓜靈活的俞鴻儒對不能傷人死人的理解是“大概房子的可以炸的”。果不其然，俞鴻儒炸了多次房子，好在每次實驗他們都注意清場，人都沒事。而郭永懷、錢學森對俞鴻儒這條外國人沒有走的研究路線也格外保護，幫他擋住了很多質疑，每炸一次還表揚他一次。好在炸了幾次之後，俞鴻儒找出氫氧混合比例的規律，此後幾十年再也沒炸過。
60年代末，俞鴻儒代領團隊花了8萬元加工費就建成了與國際水平相當的JF8激波風洞，爲當時的導彈、火箭、衛星攻克難關提供了重要助力，完成了與郭永懷烈士的十年之約（1968年因空難犧牲，遺體被找到時與警衛員緊緊抱在一起，他倆用身體護住的絕密文件完好無損）。而同時期北大耗資80萬元才建成一個更小的風洞。
1999年，俞鴻儒將姜宗林引進回國，中國風洞傳承到了第三代。2012年5月JF-12復現風洞通過驗收，它能復現25-40公里高空、5到9倍聲速的高超聲速飛行條件，持續時間長達100毫秒。讓風洞實驗從狀態“模擬”到真實“復現”，攻克了60年來風洞研究的世界性難題，成爲當今整體性能最先進的激波風洞。並且JF-12風洞，是姜宗林團隊僅花費4600萬元經費耗時4年時間建造的，每次實驗成本僅5000元！
2023年，姜宗林團隊研發的新型爆轟驅動超高速高焓激波風洞（JF-22超高速風洞）正式驗收。該風洞能夠復現30倍聲速的飛行條件，可供科研人員研發天地往返飛行器、高超聲速導彈以及第六代戰機使用。姜宗林稱，其綜合性能指標領先西方“大約20至30年”。
04
風洞工作原理詳解
從外觀看JF-12風洞是一根265米長的管子，從右向左依次是，E形真空罐作爲實驗段（40m）、噴嘴（15m）、從動段（89m）、鋼製膜片（高壓下會破裂）、爆震驅動段（99m）、阻尼段（19m）。
實驗時，模型放在E形真空罐正對噴嘴的位置，向爆震驅動段的管子中充入氫氧混合氣體，在右端靠近膜片的位置點火，形成高溫高壓的燃氣。
當燃氣全部被點燃後從阻尼段反彈，向外膨脹撐破膜片，劇烈推擠存放在從動段中的工作氣體（空氣、氦氣或二氧化碳）。這會在從動段形成超聲速運動的正激波，這道激波被左方的高壓燃氣不斷擠壓，到達噴嘴時壓強高達幾十兆帕、溫度近千攝氏度的氣體。
這些高溫高壓的氣體到達喇叭型的噴嘴處，開始膨脹降溫減壓，同時流速急劇升高，在噴嘴末端達到5-9馬赫、溫度恰好降低到實驗要求的溫度。然後吹進真空的實驗段。形成長達100毫秒的高速氣流。這一速度剛好適合高超聲速導彈和殲20的研製。
JF-22風洞的結構與JF-21類似但功率更大，主要的改進是將點火位置從爆震驅動段的右端移到了左端，這樣點燃從右向左正衝到膜片上的激波就是一手激波（JF-12的反彈的二手激波），能量更大，可以在實驗段形成30馬赫的氣流。適應天地往返飛行器、高超聲速導彈以及第六代戰機的研發。
05
外國爲啥沒有同等級風洞
相比中國，美西方對研發和建造大型風洞羣有不同的看法。他們認爲超級計算機模擬能夠替代風洞實驗，又因爲壓縮空氣路線的發展遇到了瓶頸，因此放棄了花費巨資繼續升級風洞羣的計劃。
美國高超聲速和航天工程專家克里斯·庫姆斯這樣評價中國的風洞：中國有關對JF-22的吹噓忽略了“全世界各種已經存在幾十年的風洞設施”他說，早有好幾座風洞實現了20馬赫以上的模擬（而非復現）。而30馬赫只能用於從月球或火星返回，這意味着，“除非他們要從月球上發射導彈，否則這並沒有什麼真正的軍事價值”。另外他認爲爆轟風洞會改變空氣的化學成分，模擬的情況已經失去航天的代表性。
但實際情況是，國外風洞持續時間最多僅30毫秒，無法滿足高超聲速發動機的實驗所需持續時間。這被認爲是美國的高超聲速導彈的研製遲遲無法成功的原因之一。
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編輯｜張毅
審覈｜吳新
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