器以载道｜超高速风洞：飞行器研发的“超级试验场”

在飞行器突破地球大气层实现天地往返的征途中，一个“吹风”的科学装置处于重要一环。JF-22超高速风洞堪称飞行器研发的“超级试验场”。它能做什么？为什么被称为世界上最先进的超高速风洞？我们一起探寻风洞的答案。

在北京怀柔，有一个长达167米的国之重器，它能吹出每秒10千米、约30倍声速的超级气流，模拟飞行器穿越大气层的情景——这就是JF-22超高速风洞。在这里，科学家们不让飞行器“上天”，却能让它“仿佛在天上飞”，为我国研究天地往返飞行技术提供试验力量。

JF-22超高速风洞

超高速风洞有多厉害

JF-22超高速风洞也叫爆轰驱动超高速高焓激波风洞，位于北京怀柔科学城，是国家自然科学基金委员会支持，中国科学院力学研究所承担的国家重大科研仪器研制项目，2018年正式启动，2023年7月通过验收投入运营。

该风洞是高超声速和超高速领域的一台超大型实验仪器，总长167米，喷管出口2.5米，实验舱直径4米，实验气流速度范围3-10千米/秒，能够揭示由分子解离主导的复杂介质超高速流动规律，可有力支撑我国天地往返运输系统和超高速飞行器研发，对于推动气动学科发展、提升我国宇航高技术研发能力具有重大意义。

飞行器的速度越快，要求风洞产生的“风”越大。科学家用飞行速度与声速之比——“马赫数”度量飞行速度。在高超声速飞行中，飞行器巨大的动能将产生强烈的头部激波和摩擦阻力，把飞行器周围的空气加热到数千摄氏度甚至上万摄氏度，引起空气分子发生解离、原子电离等复杂的化学反应。

“飞行器周边的空气起热化学反应，这类现象超出了传统气体动力学的研究范畴，需要创立新的理论去描述，打造新的风洞去试验。”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表示，“新型空天飞行器研发的地面试验需要性能更强大的高超声速风洞。”

风洞实验装置

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。姜宗林介绍，JF-22超高速风洞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超高速风洞可以达到40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超高速风洞总温高、总压高、性能高，可以模拟航天器重返大气层的环境，将助力我国新型天地往返飞行器和高超音速飞行器的研发。

覆盖全部“飞行走廊”实验能力

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，其研制离不开JF-12复现风洞积累的经验。2008年，在首批国家重大科研仪器研制项目的支持下，JF-12复现风洞立项，2012年完成项目验收，确立了我国在这个研究领域的领先地位。

JF-12复现风洞

如今，JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞可分别实现每秒1.5千米到3千米和每秒3千米到10千米的实验条件，共同构成覆盖马赫数5到30、飞行高度25到90千米的气动实验平台，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，大幅提升我国先进高超声速空天飞行器的研发实力。

此外，科研团队还将利用激波风洞实验平台，开展滑翔式飞行器、天地往返飞行器、多级入轨飞行器等的研究，支撑和服务国家高超声速科技领域重大需求和关键技术攻关。

风洞的“从0到1”

常有人这样比喻，先进的飞机等飞行器都是在先进的风洞里“吹”出来的。各类飞行器在研发过程中需要进行大量模拟飞行实验，但又不能真的让飞行器频繁上天试飞，于是风洞应运而生。它相当于在地面人为建造一个“飞行天空”，通过风动产生高速的气流来模拟飞行器在天上飞行的过程，是研制飞行器必不可少的大型气动实验装置。

我国这支激波风洞的攻关队伍源于二十世纪五六十年代。针对我国国防需求和国际技术竞争的形势，在钱学森和郭永怀的战略部署下，中国科学院力学研究所组建起我国第一支高超声速激波风洞的科研攻关团队。他们放弃当时国际通行技术，通过几十年的技术攻关，另辟蹊径实现爆轰驱动理论创新。

由于当时我国的经济基础薄弱，电力短缺，风洞的研发比较困难。但中国科学院院士、气体动力学家俞鸿儒创造性地选择了成本更低的氢氧燃烧驱动方式，这让我国的风洞走出了和国外不同的发展路线。

经过一次又一次的反复试错，我国的风洞研究终于实现了“从0到1”的突破——我国第一代激波管研制成功。之后，第一座大型高超声速风洞JF-8激波风洞问世，性能参数达到国际水平。二十世纪九十年代，建成氢氧爆轰驱动高焓激波风洞（JF-10），成为国际首座成功运行的爆轰驱动激波风洞。

1999年，在俞鸿儒的邀请下，从事激波动力学研究的姜宗林成为第三代“风洞人”。他们完成了JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞的研制，撰写了国际首部系统论述超高速激波风洞理论和技术的英文专著，为中国开展吸气式高超声速发动机与天地往返空天飞行器研发，推动高温气体动力学科前沿拓展具有支撑性意义。

什么是风洞？

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，可以看作在地面上人为地创造了一个“天空”，通常被用来测试飞机、汽车、火箭等，以及几乎所有与周围空气流动有关的工程应用。

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。

参考资料：

1.“央视新闻”公众号.首台！首台！最大！最先进！

2.“科创中国”公众号.“飞行器的摇篮”JF-22超高速风洞究竟是什么？长啥样？

3.“科技日报”公众号.国际领先！这台超大型实验仪器通过验收

4.“北京科技报”公众号.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

5.“中国科学报”公众号.全球没有其他风洞可比！打造新一代空天飞行器研发重器

6.“环球时报”公众号.国际领先水平！JF-22超高速风洞通过验收

7.“广东科技报”公众号.又一“国之重器”！可“吹”出约30倍声速的“风”

8.“航空学报CJA”公众号.姜宗林团队：JF-22超高速风洞理论基础与关键技术

9.“海军研究院”.专家科普丨关于风洞的那些事

制作：北京市科协融媒体中心