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2023/07/20 | |||||
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解码“世界上最先进”超高速风洞
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近日,JF-22风洞通过验收并开始运行的消息引发高度关注,在央视等媒体的报道下,这一“国之重器”缓缓揭开了它的神秘的面纱。 它的性能指标在国际上达到了什么水平?它又将为我国的航空航天事业发展带来多大的助益?从揭露的信息来看,可以说,成果绝对惊艳。 “另辟蹊径” 2021年8月,尚在建的JF-22风洞甫一曝光,就吸引了所有人的目光。 当时介绍称,20世纪五六十年代,在钱学森、郭永怀的战略部署下,中国科学院力学研究所组建起我国首个高超声速激波风洞科研攻关团队,团队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。 20世纪90年代末,研究所研究员姜宗林带领团队开启大型爆轰驱动激波风洞攻关。2012年,JF-12风洞研制成功。如今,JF-22风洞已通过验收并开始运行。 何为风洞,又缘何称得上一句“国之重器”? 各类飞行器在研发过程中,需要进行大量模拟飞行实验,风洞应运而生。利用风洞产生的高速气流,可以模拟飞行器的飞行环境,这样可以在先期研究飞行器在高速运动过程中的受力情况,避免反复进行工程试验,省时省力。 “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。”军事评论员宋忠平解释。 “30倍声速” 走进位于北京怀柔科学城的高温气体动力学国家重点实验室,刚刚通过验收的JF-22超高速激波风洞就在眼前。 它全长167米,各项性能指标国际领先,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地提高,实验结果的精度也更高；JF-22总温高、总压高、性能高,目前世界上没有其他风洞可以相比。 宋忠平告诉记者,普通的飞行器和普通的风洞并不鲜见,其技术也相对比较成熟。但新一代的高速飞行器速度上升至数倍、数十倍声速,其具备的空气力学特性发生很大改变,是此前技术探索未曾触及的前沿领域。 也正因此,超高速风洞的研发成功,给我国在这一前沿领域的技术探索、验证提供了平台和可能。 “天地往返飞行” 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。 此外,科研团队还将利用这一激波风洞实验平台,展开滑翔式飞行器、天地往返飞行器、多级入轨飞行器等研究,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。 据了解,中国科学院力学研究所有关团队最近正利用该风洞研究两级或者多级入轨的飞行器,“我们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一个分离的过程。”研究员韩桂来介绍。 姜宗林告诉记者:“从实验的角度来说,我们目前已经非常成功、非常安全地把高超声波分离的概念解决了。我们还要做不同飞行速度下面的分离,在任意情况下都可以分离。这些情况做完之后,拿到数据的话,飞行器设计、飞行实验就非常容易了。” 宋忠平解释,天地往返飞行的意思就是从地面至太空的往返飞行。以空天飞机来举例,其可以利用载具从地面起飞,高空中再以接力推进方式进入太空预定轨道。载具和空天飞机完成任务后,还能降落回收。 他提到,这个过程中的技术难点很多,例如载具和空天飞机在超高速时的分离,接力推进时的动力衔接、受力情况等等。研究清楚这个过程,超高速风洞是必不可少的试验环境。“天地往返飞行不但给航空航天提供了更多的应用场景,同时可以大幅降低发射的成本。” 覆盖全部“飞行走廊” 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。 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—3km和每秒3—10km的实验条件,两者共同构成覆盖马赫数5—25、飞行高度2590km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。 宋忠平解读,所谓“飞行走廊”是指飞行器进入高超声速领域后,有可能会进入的不同速度、高度、温度、压力的飞行环境。 依靠JF-12、JF-22风洞,我国具备了“不断档”式模拟高超声速飞行环境的试验条件,这给我国研发不同种类、用途的高超声速飞行器提供了坚实的基础。 姜宗林透露,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。”姜宗林说,实验室用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。” 他说,这样的一个发动机做完之后,对我国下一步的航空航天技术是一个非常大的推动。 宋忠平解读,传统发动机的工作原理是依靠氧化剂、燃烧剂在燃烧室燃烧产生推力,而爆轰发动机是让不同燃料混合产生爆炸来作为推力。 “这样的推进技术成熟后,将极大拓展超高速飞行器的种类和用途,助力我国航空航天技术的变革。”宋忠平说。 ■ 延伸阅读 半个多世纪的传承铸写中国风洞传奇 “一代风洞、一代飞行器”,风洞是空天飞行器研究的最可靠的实验手段,在这项研究中,中国是绝对不能缺席、不能落后的。 1949年,当钱学森得知新中国成立急需科研人才时,他毅然决定放弃在美国的优渥生活回到祖国。然而这个决定却受到美国政府的无理阻挠,在历经被逮捕、审问、软禁长达5年之久后,通过中国政府的不懈努力,1955年钱学森才平安回到祖国的怀抱。 回国后,钱学森立刻投入到中国科学院力学研究所的筹建工作中。1956年1月,陈毅副总理批复力学研究所成立,任命钱学森担任所长。 1956年2月2日,钱学森亲笔给郭永怀写了一封饱含情意的信,邀请他来力学所工作。在这封书稿中,短短数言,渴望之情却溢于言表:“快来快来。请兄多带几个人回来,这里才是真正科学家的乐园。” 就因为这一封信,郭永怀当即放弃了外国的优渥待遇,辗转回到祖国,与老友钱学森一起创建力学研究所,制定了我国力学学科的发展规划和目标,为我国力学发展布下全局。 郭永怀回国后,预见到脉冲型风洞设备的重要性,便支持他的学生俞鸿儒开展研究,作为我国高超声速研究的第二代科学家,俞鸿儒把一生都投入到了风洞之中。1958年,历经数次实验的失败,俞鸿儒最终成功研制出了我国第一代激波管,这让中国人在风洞研究领域实现了“从0到1”的突破。 1999年,俞鸿儒院士同样通过一纸书信将姜宗林邀请回国,加入了这支由钱学森和郭永怀创立、历经半个世纪的科研团队。 姜宗林团队在2012年建成了JF12激波风洞,在2016年的美国航空航天学会国际航空大会上,地面试验奖颁发给了姜宗林,这是这个奖项设立41年以来,首次颁发给中国学者。 如今韩桂来等研究员作为新一代风洞人,将继续在这条超高速领域不断探索。“因为国家需要,所以热爱这份事业。”四代风洞人,用他们的赤子之心,铸写了属于中国的风洞传奇。 据《济南时报》 何为风洞? 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 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。 风洞基本构成 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。风洞的分类方法也有很多种,例如根据气流速度可以分为低速风洞、高速风洞、亚声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞、以及超高声速风洞等；也可根据温度和焓值来分,有低温风洞、高温风洞、以及高焓风洞等；如果按照运行模式来分的话,有脉冲式风洞或连续式风洞等。 风洞应用越来越广泛 风洞的作用非常大,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。风洞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。 本报综合
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