太空风洞

近日,在央视新闻频道《温超天下》节目中,首次公开披露了中科院高超声速风洞建设情况,详细介绍了著名的JF-12高超声速再现风洞和正在建设的JF-22高超声速激波风洞。

太空风洞插图

据项目负责人、中科院力学所研究员姜宗林介绍,JF-12和JF-22高超声速风洞作为具有世界先进水平的风洞设备,将直接服务于我国多型高超声速飞行器的研发,未来还将参与新一代天地往返穿梭系统的研发。

那么,JF-12和JF-22的风洞设备具有怎样的技术性能,在“12”和“22”之间实现了怎样的技术飞跃,这种飞跃将对我国高超声速飞行器的研发有什么意义?

JF-12和JF-22的技术性能

先说第一个问题。众所周知,风洞设备的主要作用是通过人为控制气流来模拟实验对象表面的气动流场。根据风洞的试验速度,可分为低速风洞、高速风洞和高超声速风洞。

低速风洞可以用来模拟大型建筑的流场,包括摩天大楼和桥梁,也可以用来模拟低速车辆和船舶的流场。

高速风洞不适合测试静态物体、车辆和船舶,因为气流速度往往高达0.5倍音速。常用于模拟常规飞机表面的流场。例如,亚音速风洞可用于测试直升机和大型飞机,跨音速风洞和超音速风洞可用于测试超音速战术飞机和战术导弹等飞行物体。

与低速风洞和高速风洞相比,流速在4.5倍音速以上的高超声速风洞的设计和建造更加复杂。由于流速达到高超声速范围,单纯使用类似高速风洞的拉瓦尔喷管很难形成高超声速气流,必须采用一些更新的原理来实现高超声速流场。目前主流的高超声速风洞有热激波风洞、长激波风洞等。当然也包括JF-12和JF-22的高超声速激波风洞,这是中科院力学所牵头的两个高超声速风洞。

从原理上讲,高超声速激波风洞的主要原理是利用激波原理对试验气体进行压缩,同时利用定常膨胀的方法产生高超声速气流,形成高超声速试验流场。但是,激波风洞的问题也是显而易见的,因为它的试验条件严重依赖于激波形成的条件,当这个条件不能满足时,很难形成稳定的高超声速流场。

因此,高超声速激波风洞的持续时间存在一些问题,通常持续时间只有几毫秒到几十毫秒,而且只能获得某一截面的高超声速流场数据,而获得的数据需要更复杂的递推计算和气动模拟才能用于工程。这方面的例子,如美国NASA建造的HYPULSE风洞和LENS风洞,理论上可以形成20马赫以上的瞬时流场,但由于流场持续时间极短,试验条件极其有限。

NASA的Hypluse风洞示意图,模拟速度高达25马赫(甚至高达30马赫)。

相比较而言,中科院力学所研制的JF-12高超声速风洞有一个从“模拟”到“再现”的飞跃。与早期的激波风洞相比,JF-12激波风洞的测试时间从几十毫秒提高到了几百毫秒,可以直接“再现”高超声速飞行器在空附近的飞行特性。其粘性效果和强真气效果都有了很大的提升。根据中科院力学所公布的资料,JF-12风洞可用于模拟5至9倍音速、距离地面25至30公里的高超音速飞行器的飞行流场条件。这一技术飞跃可以直接服务于吸气式高超声速飞行器的研发。

在JF-12激波风洞的基础上,JF-22超高速激波风洞的流场实现条件得到了进一步改善。根据视频公布的信息,JF-22超音速激波风洞可以模拟空区域附近的空空气流场,高度为40至90公里,速度约为30倍音速。毫无疑问,与上一代JF-12相比,JF-22风洞的技术可谓“又一个数量级”。这意味着我国相关研究机构在高超声速激波风洞理论研究和工程设计方面再次实现了新的技术飞跃。相应的,也意味着国航空航天工业在高超声速飞行器的研发上又多了一件利器,可以更好的服务于新一代高超声速飞行器的研制。

JF-12/JF-22的作用

那么,上一代JF-12激波风洞和这一代JF-22新型超高速激波风洞能为中国的航空空和航天科技提供什么样的高超音速飞行器呢?

从JF-12风洞的性能来看,它适合测试“25至30公里,5至9倍音速”的吸气式高超音速飞行器。当然,从实际测试结果来看,它的测试范围应该更广。目前符合这一要求的高超声速飞行器有俄罗斯的Kh-47M2“匕首”空高超声速飞行器和美国的AGM-183A空快速反应武器,这是两种使用火箭发动机动力的高超声速飞行器,分别采用旋转弹头和乘波弹头。

美军多次试射失败的AGM-183A(ARRW)。

此外,还有俄罗斯3M22“锆石”高超音速反舰导弹符合这个条件,美国根据吸气式高超音速验证计划(HAWC)研制的下一代高超音速导弹(可能是LRSO)也符合这个速度和高度条件。这是两种吸气式高超音速巡航导弹。因此,从简单比较的角度来看,JF-12激波风洞是为了满足马赫数10以下乘波体气动布局高超声速飞行器的要求而研制的。

从新一代JF-22超高速激波风洞的性能来看,它适用于测试“50至90公里”和“25至30马赫”的高超音速飞行器。这个测试范围其实很广。比如美国NASA在上世纪七八十年代的航天飞机轨道器项目,就是一个典型的可以应用于JF-22风洞的项目,但与美国70年代的风洞技术相比,

此外,美军正在研制的LRHW中程弹道导弹,或者俄军的UR-100MR,以及与新一代萨尔马特洲际弹道导弹匹配的先锋高超音速滑翔弹头,都在这个风洞的试验速度范围内,这也是中科院力学所指出的JF-22超高速激波风洞能够试验天地往返飞行器的主要原因。

总之,虽然中国人民解放军已经生产了多种类型的具有旋转体和增升体气动布局的高超音速滑翔器,但从某种意义上来说,由于中国高超音速风洞群的建设水平,中国高超音速飞行器的研发已经有了很大的提高空。比如像锆石、先锋这样的高超音速飞行器,目前还没有露出真面目,但足以有效制衡Space-X(主要是新一代星舰)廉价穿梭运输系统的Tai 空发射系统,也是我们的研究。

希望随着JF-22风洞的启动,我们在高超声速飞行器研究领域的技术实力将进一步增强,我们的理论储备将更加丰富。我们不仅可以尽快生产出新一代超燃冲压喷气吸气式高超声速飞行器,还可以尽快为Tai 空生产出廉价且性价比高的运输系统,更好地为人类大规模进入Tai 空和Tai/[/]服务。

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