风洞——地面巨龙

周岫彬

JF-22超高速风洞可以复现40到100千米高空、时速最高达10千米／秒，相当于约30倍声速的飞行条件；

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%；

最核心的技术，就是通过正向爆轰驱动器为基本功能，提供平稳的驱动气流。

风洞是空气动力学试验的一种管道状设备，由洞体、驱动系统和测控系统组成。驱动系统产生气流，测控系统调节并控制气流，使流过洞体试验段的物体处于模拟和再现真实的大气环境，进而测量并获得试验数据，以此研究物体在大气环境中的运行规律。

我们要如何理解这个设备呢？同一个物体在空气中所受力的大小，与该物体和空气的相对速度有关。例如，飞机在空气中匀速飞行时所受到的力，等于飞机静止不动（与匀速飞行时同一姿态），空气以相同速度流过飞机时飞机所受到的力。

基于这样相对运动的物理原理，研究人员固定飞机、运载火箭、导弹、卫星等飞行器模型， 只让空气运动起来，就能测量飞行器的受力。随着风洞技术的进步，它可以容纳1 ∶ 1 的飞行器模型，这样得到的数据就与实际数据很接近了。

风洞的原理看似简单，却涉及空气动力学、材料学、机电、声学等20 多个专业领域。根据气流速度不同，可分为低速风洞、高速风洞、高超声速风洞等；根据用途不同，又有型号研制的型号风洞、科研教学的科研风洞、模拟沙漠迁移规律的风沙风洞、研究飞机防冰和除冰的结冰风洞，以及研究汽车性能的汽车风洞等多种类型。

1958年中国建造的大型低速回流风洞（部分构件）

1871年，英国航空学会理事会成员温翰姆（Frank H. Wenham）设计建造了世界第一座风洞设备；1901年，美国莱特兄弟为了研制和改造飞机，建造了一座风洞。随着航空业的发展，德国、法国、日本等国家也开始建造风洞。

中国第一座风洞诞生于1934年，是由清华大学自行设计的低速风洞。1958年，中国首座大型低速回流风洞建成，它也是中国航空史上使用时间最久、效率最高、对飞行器低速空气动力特性的设计贡献最大的风洞之一。

经过90余年的发展，中国建造并形成了从低速到高超声速全速域的风洞产业集群。

这里要介绍两个概念，高超声速飞行器和激波。高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍声速（在空气中，声速在1个标准大气压和15摄氏度条件下约为340米/ 秒）的飞行器。激波是一种强扰动波，以超声速传播，经过激波时，气流的温度、压力和密度突增，速度快速下降。以宇宙飞船为例，在高超声速飞行时，宇宙飞船前部的激波和黏性摩擦阻力，会使它周围的空气被加热到数千、甚至上万摄氏度。

世界常用的高超声速风洞有自由活塞驱动风洞、加热轻气体驱动风洞等类型。但自由活塞驱动风洞气流不平稳，试验时间受限；加热轻气体驱动风洞使用大量氢气或氦氣，易引发爆炸。

大型低速回流风洞平面示意图（绘图/黄金）

中国著名的力学家、应用数学家、空气动力学家郭永怀（1909年4月4日—1968年12月5 日） 曾经提出：“大型高超声速风洞将来是不可缺少的……”但是，以当时中国的经济条件“难以仿效发达国家研发大型常规高超声速风洞的途径，何况常规高超声速风洞加热达到的高温受限，难以模拟超高速飞行器周围的高温绕流。”

依据郭永怀先生的理念和规划，中国科学家提出了系统的爆轰驱动激波风洞理论，建立了完整的高超声速飞行复现风洞技术体系，研制成功了世界首座复现高超声速飞行条件的超大型激波风洞——JF12复现风洞！

2012年，中国JF-12复现风洞研制成功。它总长265 米，仿佛一条地面巨龙，可复现5～9倍声速的飞行条件，是当时国际首座超大型高超声速激波风洞，整体性能处于国际领先水平。

而中国最新建造的JF-22超高速风洞比JF-12复现风洞性能更为先进，主要体现为：压力高、速度快、温度高。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100千米高空、时速最高达10千米/ 秒、相当于约30倍声速的飞行条件。而它工作的一瞬间，功率与三峡大坝近似！

JF-22超高速风洞可用于新型天地往返飞行器的研发。一旦研制成功，新型天地往返飞行器可以替代目前的火箭发射模式，实现重复飞行，可以把卫星发射、航天器发射的费用减少90％，大大降低发射成本。

先进的风洞技术，支撑着先进的飞行器研发。相信在未来，风洞技术将有更广阔的用武之地！

除了飞行器研发之外，你还能想到风洞技术的哪些应用？

（责任编辑/高琳 美术编辑 /周游）