国际领先！钱学森、郭永怀几十年前的“战略部署”成果落地怀柔科学城

2023-07-17 20:27 来源: 北京号

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各类飞行器在研发过程中，需要进行大量模拟飞行实验，但又不可能真的让飞行器频繁上天试飞，于是风洞便应运而生，它相当于在地面人为建造一个“飞行天空”，是研制飞行器必不可少的大型气动实验装置。

前不久，在位于北京的怀柔科学城，国之重器——JF-22超高速风洞通过验收。这一国之重器的性能指标在国际上达到了什么水平？它又将开展哪些实验？

▲总台记者探访JF-22超高速风洞（来源：央视军事）

JF-22风洞啥水平？各项性能指标国际领先

走进位于北京怀柔科学城的空天飞行高温气动全国重点实验室，记者看到了刚刚通过验收的JF-22超高速激波风洞。

它全长167米，各项性能指标国际领先，为空天往返系统以及超高声速飞行器研制提供了有力支撑。

作为研制新一代飞行器的摇篮，JF-22超高速风洞可以复现40到90千米高空、速度最高达每秒10千米，相当于约30倍声速的飞行条件。

据中国科学院力学研究所研究员、怀柔激波风洞项目负责人姜宗林介绍：

JF-22吹出来的流场大概有2.5米直径，一般国外最大的是1.5米直径，可以放更大的飞行器；
在马赫数为10的时候，JF-22可以达到40个毫秒，比国内外同类先进水平有成倍的提高，实验结果的精度也更高；
JF-22总温高、总压高、性能高，目前世界上没有其它风洞可以相比。

认识风洞，作用大、用处多超乎想象

提到风洞，可能大家比较陌生。风洞对于每一个流体力学从业者来说都是无法绕开的话题，几乎见证了现代流体力学的发展。它可不是黑洞、虫洞一类的东西而是一个开展空气动力科学研究的实验室。

NASA官网上对风洞有个接地气的定义：风洞是内部有空气流动的大管子。简单来说，风洞是通过人工产生和控制气流，模拟飞行器或物体周围气体的流动及空中各种复杂的飞行状态，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状试验设备。它是进行空气动力试验最常用、最有效的工具，是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”，风洞也可以看作为地面上人为地创造了一个“天空”。风洞通常被用来测试飞机、汽车、宇宙飞船，以及几乎所有与周围空气流动有关的工程应用，甚至高尔夫球。

🔺风洞原理简示图

风洞主要由洞身、驱动系统和测控系统组成。每个部件的形式因风洞的类型而异。实验部分主要是用于测量和观察模型，在实验段的上游有稳定段和喷管，稳定段的作用是提高气流的平直度和减小气流的紊乱程度，而喷管的作用则是将气流加速到所需的速度；在实验段的下游一般有扩散器，用于降低流速和残余速度损失，还有一个排气段，用于将风洞外的气流或回流段引导至风洞的入口。

风洞是近代科学的产物，是在人类向往飞行的梦想中逐渐发展起来的，并伴随着科技发展不断完善。

我们在日常生活中是不是很少见到风洞？但其实它的作用非常大，像飞机、火箭等这些在真正的运行前都需要经过风洞去检测它的一系列参数，保证它的安全性和稳定性，这样大家在坐飞机的时候才能更放心。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等方面也得到越来越广泛的应用。从飞机到飞船，从火箭到导弹，从汽车到高铁，从大桥到高楼，从体育到军事……比如可以将汽车或运动员（作为试验模型）置于风洞中，并通过合适的示踪粒子，将气流通过模型的流动轨迹显示出来，用以直观显示气流对模型的作用特征。

🔺立式跳伞风洞内飞行

为助力2022年北京冬奥，航空工业相关部门跨界利用航空空气动力学原理，为中国跳台滑雪项目量身打造了两类共三座体育专用风洞。通过风洞训练，可在模拟相对风速下，通过测力平台中的仪器精准测量运动员的双脚发力及不同动作姿态受到的摩擦阻力，来综合评估运动员脚步发力的情况，起跳角度对不对，从而改进助滑和起跳姿势，提高出台速度。真可谓是，为中国跳台滑雪运动员们插上了科技的“翅膀”。

🔺风洞训练的运动员

风洞是如何工作的？JF-22和JF-12大显身手

JF-22超高速风洞，也叫爆轰驱动超高速高焓激波风洞。名字听上去就特别的高大上，作为飞行器的摇篮，风洞究竟是如何工作的？激波风洞又有何特点？又将开展哪些实验？来听听专家的解读↓↓↓

（1）瞄准天地往返飞行技术，科研团队首先展开研究

JF-22超高速风洞的研发目标主要是为解决超高速飞行技术的试验研究问题，在项目验收后，科研团队首先展开的就是天地往返飞行技术的研究。

据中国科学院力学研究所研究员、怀柔激波风洞现场负责人韩桂来介绍，“我们最近正要研究两级或者多级入轨的这样一个飞行器，火箭是垂直起降，将来我们要通过飞行器水平起降，然后飞到比方说30公里到40公里高度，再把第二级释放出来，接着往上飞，形成一个接力的模式，叫两级或者多级入轨，所以最近我们也正在准备这样一个相应的分离方案的实验，主要就是来探索下面级跟上面级产生分离的过程。”

而另据姜宗林介绍，“风洞研究的话，我们已经把高超声波分离的概念解决了，从实验的角度，我们非常成功、非常安全解决这个问题了。另外，我们还要做不同飞行速度下的分离，拿到这些数据，飞行器设计、飞行实验就非常容易了。”

（2）JF-12和JF-22 覆盖全部“飞行走廊”实验能力

2012年研制成功的JF-12复现风洞，总长265米，成为当时国际最大、整体性能最先进的激波风洞。而JF-22超高速风洞也于近日完成验收开始正式运行。

JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞分别是对应领域规模最大、性能最先进的激波风洞，使我国成为高超声速领域唯一具备覆盖全部“飞行走廊”实验能力的国家。

JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞可分别实现每秒1.5到3千米和每秒3到10千米的实验条件，共同构成覆盖马赫数5到25、飞行高度25到90千米的气动实验平台。

姜宗林介绍说，可以利用风洞做高超声速发动机试验。“我们实验室提出一种新型的发动机，叫做驻定斜爆轰发动机。现在我们用JF-12已经做到马赫数7到马赫数9，现在看来新型的发动机比传统的发动机热效率要高50%，燃烧稳定；JF-22准备从马赫数9一直做到马赫数16。如果有这样一个发动机做完之后，我觉得对我们国家下一步的航空航天技术是一个非常大的推动。”