风洞：飞行器的摇篮

■张媛 周治宇 柳洁

据新华社报道，今年8月22日，中国科学院首次公开披露了JF-22型高超速激波风洞的建设情况，以及预计2022年建成的喜讯。

那么，何为风洞？尖端飞行器的研发与风洞有何关系？风洞对一个国家的航空航天事业会带来怎样的影响？请看解读。

上图为风洞原理简示图。

融汇高端技术

如果认为风洞就是个洞，那就错了。风洞通常是长条形盘绕的粗大管道。中国科学院公开披露的资料显示，JF-22型高超速激波风洞的上一代——JF-12激波风洞，主体是一根架离地面的金属长管子，265米的身长居世界激波风洞长度之首。在管道内，以人工控制的方式产生不同流速、不同密度，甚至不同温度的气流，也就是风。

无论是飞翔的鸟还是呼啸的列车，通常情况下，都是物体在运动，我们去观察它与空气之间的作用。风洞反其道而行之，让物体固定，对它吹风来模拟自然环境中的气流运动状况。这样，能在地面之上形成一个特有空间，物体不动照样呈现运动效果。

风洞现已成为空气动力学研究和试验最广泛使用的工具。科研人员将模型或实物在风洞中反复吹风，观察、测量不同气流对其产生作用，从而为其结构设计、性能改进等提供方案依据。

风洞的原理听上去简单，可要建成风洞并不容易，它涉及气动力学、材料学、机电、声学等20余个专业领域。

比如速度问题，根据气流速度大小的不同，风洞有低速风洞、高速风洞和高超音速风洞之分。低速风洞很多国家都有，但要达到超音速甚至高超音速异常艰难。

再如仿真性问题，风来无影去无踪，可是在风洞中，自由的风如何被精准控制成规规矩矩、各种“形状”的气流？如何在有界的风洞中模拟无界的自然？如何减小诸如支架等附加实验设备的影响？这需要综合动力、电力、机电、控制、测量、模型制作等技术。

“吹”出尖端武器

现实生活中，风洞在许多方面发挥着作用。

大型风能发电用扇叶、高速列车、高达几百米的电视塔、数十公里的跨海大桥等，建造之前它们的模型必须在风洞中“吹一吹”。今年东京奥运会上，我国运动健儿在游泳、赛艇等项目上夺取金牌的背后，也有低速风洞实验室的功劳。

在军事领域，大型高端风洞更是一个国家的重要战略资源。战斗机、航天器、舰艇、火箭、导弹、人造卫星等，在研发过程中必须过风洞这一关。因此，风洞也被称作“飞行器的摇篮”。

在研发一款新型飞机过程中，科研人员利用风洞实验，在了解飞机构造、获取完整气动性能数据、推算运动性能和验证气动布局之后，再进行完善外形设计、减阻降噪、强化装备性能等后续工作，就能达到事半功倍的效果。

1900年，莱特兄弟两次建造风洞开展实验，世界上第一架飞机才得以问世。如今，高机动性能武器更要经历成千上万小时的风洞实验，才能“百炼成钢”。美国F-22“猛禽”战斗机，经历了10年的风洞实验，其23种模型先后在15座风洞进行了75项、合计约4.4万小时的高低速风洞实验，才最终确定气动外形。

业内人士说，如果没有先进配套的风洞，很难研制出跨代武器。

“洞开”新的未来

临近空间，通常指距地面20～100千米的空域，介于飞机最高飞行高度与空间轨道飞行器最低飞行高度之间。

在军事上，这个空间是空天一体作战的新高地，具有极强的战略意义。进入超音速时代后, 空天高超音速飞行成为国际航空航天领域发展的必选项。

马赫数是速度与音速的比值。当比值达到5或6时，即可认为达到了高超音速。这个速度有多快呢？以5到10马赫飞行的高超音速飞机为例，一两个小时就可到达全球任何一个地方。

天下武功，唯快不破。高超音速飞行器的开发，将带领快速精确打击武器时代的到来。高超音速武器具备全球快速到达、远距离精确打击、难以拦截、威力巨大等传统武器无法比拟的优势，就像快、准、狠的尖刀。

近年来，世界强国都在高超音速科技领域加紧布局“先手棋”。如俄罗斯“匕首”“锆石”高超音速导弹，以及美国战术助推滑翔武器、高超音速巡航导弹等项目。

然而，高动态临近空间飞行器研发已有几十年，至今成功的案例依然屈指可数。其主要原因在于，临近空间飞行环境与对流层、平流层迥异。这个过程中，容易发生“分子振动激发”“真实气体效应”“稀薄气体效应”等复杂效应。同时，随着飞行器速度加快，其与空气摩擦后温度骤升，周围空气发生复杂的热化学过程，形成离子状态，飞行器就会像在泥潭中游泳一样。

高超音速飞行产生的全新复杂现象，颠覆了传统风洞实验相似模拟准则。因此，能反映“高超音速流动独有的热化学反应机制”能力的新一代风洞，在迫切的呼唤中诞生。

目前, 美、俄、欧、日等航空航天大国，均已建成不同类型的高超音速风洞，为各种运载火箭、航天飞行器、空天飞机、高超音速飞行器、高超音速武器、中远程弹道导弹等，提供了有力的模拟手段。