“国之重器”,未来可期

JF-­22超高速风洞是什么?

当飞行器以超高速飞行时,随着速度的不断加快,其温度会快速升高,直至达到2000摄氏度后,周围气流中的氧分子和氮分子就会变成原子甚至变成离子状态,从而出现一些很复杂的情况,导致飞行器处于“泥潭中游泳”的困境。

为应对这些复杂情况,高超音速飞行器必须在匹配的风洞中进行模拟试验。风洞根据气流速度大小的不同,有低速风洞、高速风洞和高超声速风洞三种,而我国现阶段正在攻关的JF-22超高速风洞,是研制新一代飞行器的摇篮,是国际最先进的可助力天地往返系统,预计2022年建成。它可以复现40到100公里高空、时速最高达10公里/秒,相当于约30倍声速的飞行条件。

“国之重器”,未来可期

风洞是能人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可度量气体对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备,是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具,以验证和发展有关理论,并直接为各种飞行器的研制提供服务,通过风洞实验来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。

现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大,例如上世纪50年代美国B-52型轰炸机的研制,曾进行了约10000小时的风洞实验,而上世纪80年代第一架航天飞机的研制则进行了约100000小时的风洞实验。

超高速风洞对于研制超高速飞行器意义重大,目前民航客机的飞行速度是0.8倍声速,战斗机可以达到2.5倍声速。如果做出高超声速飞行器,如果可以达到5倍到10倍声速,在大气层里飞,一两个小时就能到达全球任何地方。

作为一座超大型激波风洞,JF-22超高速风洞的研发目标是针对天地往返飞行技术领域的国家重大需求和高温气体动力学学科的前沿探索,解决超高速飞行技术的试验研究问题。据中科院力学所研究员、怀柔激波风洞项目负责人姜宗林介绍,JF-22风洞的目标是助力天地往返系统,若成功可以把卫星和航天器发射费用减掉90%。

中国研制风洞的进程

我国这支激波风洞的攻关队伍源于上世纪五六十年代。在钱学森和郭永怀的战略部署下,中科院力学所组建起我国第一支高超声速激波风洞的科研攻关队。

我国第一支高超声速激波风洞的科研攻关队成员

2012年,总长265米试验段直径达3.5m的JF-12复现风洞研制成功,可复现5-9倍声速的飞行条件,实验时间超过100ms,比其它同类型的激波风洞提高1个量级。JF-12复现风洞成为了国际最大、整体性能最先进的激波风洞,为我国航空航天重大任务研制提供了关键支撑。

2018年3月,我国正式启动超高速风洞JF-22,目前已进入现场安装阶段。作为一座超大型激波风洞,JF-22超高速风洞的研发将推动我国新一代技术的发展,能够解决超高速飞行技术的试验研究问题。

中科院力学所研究员、怀柔激波风洞项目负责人姜宗林说,JF-12和JF-22两代高超音速风洞作为具备世界先进水平的风洞设备,将直接服务于我国多型高超音速飞行器研发,在未来还将参与新一代天地往返系统的研发工作。

姜宗林说:“一种技术需要10年、20年,甚至更长的时间去做,所以你得耐得住寂寞。另外一种创新的东西不被大家认知,所以你还得能忍受着批判,你还得经受住风雨。所以只有这几点的话,我觉得你才能从理论到技术,从技术到工程,然后去解决国家的重大问题。”

中国JF22型“超高速激波风洞”,新锐飞行器将井喷

中科院力学所副研究员、怀柔激波风洞现场负责人韩桂说,飞行器在天上飞,空气不动,但是在地面上的时候,没有办法让飞行器去飞,或者这个飞行器还没有研究出来,就要做一个飞行器的模型固定在这,在风洞里头产生高速的气流来吹这样一个模型,模拟它在天上飞的过程,这个就是风洞。

作为一座超大型激波风洞,JF-22超高速风洞的研发目标是针对天地往返飞行技术领域的国家重大需求和高温气体动力学学科的前沿探索,解决超高速飞行技术的试验研究问题。2022年建成后,JF-22将与JF-12风洞构成能够覆盖全部高超声速飞行走廊的、具有国际领先水平的地面气动实验平台。

国之重器”,未来可期

近几年来,中国的航空工业突飞猛进,国防事业蒸蒸日上,各类高超音速武器频繁亮相,其背后都离不开风洞的作用。在流体力学领域,风洞更是不可或缺的重要设备,通过在风洞中安装飞行器,可以测试出许多有关空气动力学的关键数据,以此来改进飞行器的设计。许多的专家都说战斗机并不是研制出来的,而是风洞吹出来的,从这一句话我们就可以看出了风洞有多么重要了。而我国的风洞技术从无到有,从模仿到创造,如今已经是全球顶级的水平了。

我国的航空工业起步较晚,当年在研制歼-8的时候风洞的设计没有达标,总设计师顾诵芬只能亲自上场,在飞机尾部贴上干线,自己坐在另一架飞机的后面,通过肉眼来观察毛线球的运动状态,来获取歼-8的空气动力学特征。老一辈航空人的拼搏精神背后令人动容,同时也说明风洞在飞行器的设计过程中的重要性。

如果当时有一座足够先进的风洞,总设计师就不用冒这么大的风险自己去测试关键数据了。因此,中国航天工业者一直在努力攻克风洞课题,中国风洞技术也一直在不断刷新。早些年出现的JF-10风洞,具有更快的复现速度(20ma),还有更早的JF-8A风洞,这些风洞虽然整体水平赶不上现今的JF-12和JF-22,但一些主要指标也比美日同类型风洞要更高。目前,我国正在攻关的JF-22超高速风洞,正代表了国际高超声速风洞技术的领先水平,实现了高超声速的地面飞行能力,各项数据锋芒毕露。

通过上面的描述我们就可以知道,这款风洞是为新一代飞行器做准备的,因为也只有性能要求更加高的新飞行器,才需要这么强大的风洞,这个风洞也将对第六代战机的研发带来很大的参考价值。

而对于高超声速飞行器的研究,各国在近几年来也是你追我赶,而美国则是因为电磁武器方面的研究受阻,对这一高超声速领域的研究更是看重,在这一领域,我国并没有落后于人,相反还具有先发的优势,即使是在之后我国还会占据主动权,发展处全球到达、机动飞行的高超声速飞行器。而一旦实现了全球到达之后,在军事领域上则可以形成全球部署的战略能力,对维护我国的国家安全具有很大的价值,而民用方面则可以实现快速通行,大大减少了人们的交通时间。

据了解,JF-22激波风洞最高可以覆盖35马赫的实验,能够模拟40-80公里的地球临界飞行高度。我国一旦研制出能够坚受住JF-22微波风洞考验的飞行器,从中国跨越大西洋飞到美国西海岸只需要900秒就可以。而作为飞行器研制的摇篮,对于揭示真实的气体效应、高超声速边界层的发展机制,以及评估邻近空间飞行器的气体特征具有重要的意义,只有同等级的风洞才能够制造出同等级的飞机,JF-22风洞的问世,将为我国更高速的飞行器研制奠定实验基础,在未来的探索道路上,风洞也将成为我国国防事业和航空航天事业的重要保障和后盾。

结语:

航空学术界有一句话是:有什么样的风洞,才能有什么样的飞机、导弹、飞船和火箭。近年来,从JF-12复现风洞的领跑到JF-22超高速风洞的即将建成,不单代表了我国在国际高超声风速风洞技术的领先地位,也意味着中国开始从航天大国向航天强国迈进。