2022年9月8日，《南華早報》報道了一個有些讓人震驚的訊息，中國正在測試破紀錄的33倍音速風洞，而比較讓人意外的是，這個高超音風洞的技術居然源自澳大利亞！這風洞究竟是什麼原理？如此高超音速的風洞又是拿來幹什麼的呢？
中國破紀錄的風洞達到33馬赫
據《南華早報》報道稱，一篇於9月1日發表在《航空學報》上的論文介紹了這個極高超音速的研究專案，風洞已經在中國西南部建成，管道直徑為0。8米，這是一種基於自由活塞驅動激波風洞！
這種風洞極速可模擬2。5~11。5千米/秒的極端飛行條件，這個速度是多少呢？大概是音速的33倍，不過《南華早報》報道有些誤區，因為音速會隨著空氣密度的降低而下降，在極高超音速下馬赫數（音速的倍數）會偏高一些。
這種基於自由活塞驅動激波風洞被稱為Stalker管，最早是澳大利亞科學家提出的概念，所以這南華早報說技術源於澳大利亞還真是標題黨，但又找不出毛病來！不過建設在澳大利亞的風洞規模大約只有中國的一半水平，模擬的極速比較低，這從美國和澳大利亞在2020年8月簽署的一些合作中研製最高速度為8馬赫的飛行器可見一斑。
Stalker管的高超音速風洞原理是利用高壓氮氣來驅動一個長行程的大型活塞，將這個活塞加速到數百千米的時速，它將會急劇壓縮前方的空氣，此時這些空氣會被壓縮到極端的高壓環境，並且會以極高超音速的速度流過一條狹長的管道。
需要在高超音速條件下測試的模型就會放置在這個管道中，管道壁上會有超高速攝像機，從可見光到紅外波段全方位記錄氣流經過模型時激波以及溫度分佈，當然在後方還會有氣流取樣，因為在極端高超音速條件下，不僅會有空氣動力學作用，還會與機體表面產生電離以及化學反應。
而中國在西南某地的這個Stalker管激波風洞，目前以11。5千米/秒的超高速度創下了全球風洞之最，但是要如此高速度幹嘛呢？就算從近地軌道再入大氣層也只有7。8千米/秒左右的速度，而且在再入前還會減速離軌，最終速度還會略低一些，大概只有25馬赫，所以這個33馬赫的風洞，真的要製造殲星艦了嗎？
風洞：從低音速到高超音速，都有什麼用？
風洞這個東西有點高大上，不過分類卻通俗易懂，按應用上來分可以分成航空風洞，汽車風洞、氣動聲學風洞、高焓風洞與吹橋樑大樓的工程風洞等，從速度上來分低速風洞、高速風洞、亞音速和跨音速風洞、超音速風洞、高超聲速風洞，根據名詞基本上也能瞭解部分應用範圍，但相信觀看本文的朋友，絕對不是來看什麼汽車風洞或者工程風洞的，高超音速風洞才是大家感興趣的地方。
高超音速飛行：不只是常規空氣動力效應
高超音速飛行領域與我們常見的空氣動力學差別非常大，一般條件下氣流不是產生升力就是產生阻力，但在超過音速後還會產生激波，這個激波會隨著速度增加逐漸變得尖銳，因此當飛機還是平直翼時完全不適合超音速飛行或者強度需要加強到遠超亞音速飛行的設計需求。
因此超音速飛行的機型機翼是梯形或者三角形，這些翼型可以推遲激波產生，甚至到了高超音速之後變成箭形，但這遠遠不夠，因為激波會壓縮前方的空氣形成極端高溫，比如像宇宙飛船返回地球時穿過大氣層的激波加熱的溫度可達2000℃以上！
在如此極端的條件下飛行，空氣分子在幾千度的高溫下激發，解離，化合甚至電離，這個環境絕不是計算機模擬所能達到的，大氣成分非常複雜，而且高空空氣稀薄，和稠密大氣的高超音速是不同的條件，唯一的辦法就是製造風洞復現環境。
高超音速風洞：大型風洞還是激波風洞？
在我國風洞研究的中期，也就是1985年左右，國外早已有大型超音速風洞，美國和蘇聯走的就是這個路子，馬赫數（音速倍數）、高雷諾數（大致表現氣流粘性的係數）、吹風時間幾十秒級的超大型風洞，這種風洞耗電量極大，啟動後甚至可能對整個城市的用電都產生影響。
顯然我國當時並不適合建造這種大型風洞，因此錢學森就建議發展激波風洞，走短脈衝（幾毫秒至幾十毫秒）風洞道路，激波風洞是脈衝式風洞的一種，利用激波壓縮和加熱氣體的風洞，短時間內達到測試要求，以節約投資和用電消耗，事實證明，我國這條路子不但走對了，而且一直走到了極高超音速的路子上，錢學森的眼光是極端毒辣的，因為大型風洞要向高超音速領域方向前進，也是殊途同歸。
激波風洞的路線：完全超出了大家的想象
高超音速風洞結構中不再有風扇，也根本就看不到大型風洞結構，而是隻有一根不同直徑拼接起來的管子，而實現的方式也完全超出了想象，一般的實現方式有下面幾種：
透過加熱輕氣體來產生激波
用自由活塞產生高壓氣體產生激波
爆轟驅動空氣產生激波的風洞
加熱輕氣體產生激波的風洞結構看著就像一個不同直徑的管子對接，它主要分成幾個部分，首先氣體加熱（一般是氫氣或者氦氣），讓其處在在極端高壓下，然後開啟閥門透過一個膨脹室，擴散的激波驅動前方工作氣體（一般為二氧化碳、氦氣或者氮氣或者氧氣等），這個驅動氣體再透過激波管推動測試氣體（一般為稀薄大氣成分），在這些氣體之間會有氣膜隔離，防止在測試前混合。
這些測試氣體的激波會高速驅動穿過飛行器測試所在的區域，模擬出飛行器在高超音速條件下可能遭遇的形態，其測試時間大約為200~260微秒，時間是比較短的，但每次測試時氫氣消耗卻非常大，成本相當高，我國似乎沒有選擇這條路線。
美國的LENS-II
其代表風洞是蘇聯的U-12風洞和美國的LENS系列風洞，其中美國的LENS風洞有LENS-I，II和LENS-X等多個風洞，驅動氣體在30000psi（2041個大氣壓）的壓力下工作，能模擬7~18馬赫左右的環境，其測試模型的最大長度為12英尺（3。6米），直徑為3英尺（0。9米）。
曾經測試併成功應用的有太空梭、X-34以及X-43，也算是為NASA的噴氣推進實驗室立下了赫赫戰功。
自由活塞產生的高壓氣體產生激波
自由活塞的高壓氣體激波驅動的風洞結構其實和加熱輕氣體比較類似，只是產生高壓氣體的方式存在相當大的差異，這個原理似乎並不複雜，一個長行程的活塞被後方的高壓氮氣驅動，會高度壓縮氣缸內的氣體以達到極高的壓力。
Free-Piston Driven Shock Tunnel
滿足測試壓力後透過一個減振管道再洩入膨脹腔體，透過激波管驅動測試氣體的激波穿過測試區域，模擬極端環境下的氣動效應，其最大模擬的高超音速環境可達25馬赫以上，目前比較有代表性的風洞為澳大利亞昆士蘭大學的T4和日本國家航天實驗中心的HIEST以及我國的JF-8A。
日本的HIEST
澳洲的T4全稱為T4 - Free-Piston Driven Shock Tunnel（T4 - 自由活塞驅動的衝擊風洞），活塞質量為92千克，其模擬的速度範圍為4~10馬赫。
昆士蘭大學的T4
日本的HIEST是此前這類風洞中尺寸最大，技術最成熟、實驗時間最長的代表，壓縮管長度42m，激波管17m，噴管直徑1。2m，喉道直徑50mm，穩定實驗時間2毫秒。
日本的HIEST一次測試壓力變化曲線
中國的JF-8也是這類風洞，比起澳洲和日本來，JF-8有不少差距，不過各位要知道的是JF-8風洞是我國1968年就建造完成的風洞，並且日本的HIEST也存在穩定性特不太好，2毫秒測試時間內壓力變化劇烈等問題。
目前《南華早報》中介紹的我國自由活塞驅動的風洞已經解決了活塞風洞中穩定性差、時間短的問題，並且其最高測試速度達到了33馬赫，壓縮氣體用的自由活塞質量達到了840千克，其尺寸驚人（加州理工的T5自由活塞風洞的活塞質量為120千克），不過在《南華早報》的報道中未公開具體型號。
爆轟激波風洞
它利用的是可燃氣體爆炸產生的激波來推動測試氣體，我國在爆轟風洞研究領域是非常早的，原因有兩個，一是錢學森和郭永懷的對高超音速領域的高瞻遠矚，很早就在高超音速領域佈局研究；另一個則是爆轟風洞的成本要比其他型別的門檻要低（但其實控制技術要求極高）。
俞鴻儒
郭永懷的學生俞鴻儒是這項研究的主力，選擇的是氫氧爆轟，但由於控制不好非常容易發生爆炸，其中最嚴重的一次是把實驗室房子都給炸塌了，但俞鴻儒並沒有氣餒，終於在1962-1964年，先後研製成JF4直通型激波風洞和JF4A反射型激波風洞！
4年後，JF8激波風洞問世，效能引數達到國際水平，到了上世紀九十年代，氫氧爆轟驅動高焓激波風洞（JF10）建成，成為國際首座成功執行的爆轟驅動激波風洞。
JF-12復現爆轟風洞：全球頂尖技術
請注意關鍵詞“復現”，以前都是模擬高超音速環境，但JF-12風洞是“復現”，這個意思是1：1提供飛行器真實的飛行環境，其取得的資料和實際飛行中是一樣的，這個復現的要求也使得這個風洞的尺寸大到了相當恐怖的級別：
JF-12爆轟激波風洞
JF12復現風洞總長265米，是迄今世界上最大、效能最先進的超大型高焓激波風洞，其復現的環境是高度40-80公里、飛行速度3千米/秒左右的極端高超音速條件，而且有效測試時間長達100毫秒，這是什麼條件？這個範圍是近地軌道飛船返回經歷的黑障區域！
除了飛船返回以外還有亞軌道航天器也在這個空間飛行，另外還有極高超音速飛行（10倍音速以上的航天器）也在這個區間飛行，JF12的試驗段直徑達到了3。5米，這個規模甚至可以讓高超音速飛行器實物丟進去測試，比如DF-17和DF-26的彈頭根本不需要做縮比模型，因此JF12復現風洞出現後，我國的高超音速技術進展是相當快的。
JF12風洞是在2012年5月順利透過驗收的，各位可以瞭解下我國高超音速武器出現的時間，基本就在這個風洞後就開始雨後春筍一般冒出來，當然超音速武器不是一蹴而就的，但有時候就缺臨門一腳，JF12就是最關鍵的一腳！
負責建設JF12風洞的是姜宗林院士，此後姜宗林和他負責設計建造的JF12風洞在國內多次或將，還獲得了美國航空航天學會2016年度AIAA Ground Testing Award（地面試驗獎），2017年，JF12復現風洞先後獲得“國家技術發明二等獎”和“中國科學院傑出科技成就獎”，2018年，激波風洞團隊榮獲中華總工會“全國工人先鋒號”。
回到本文開頭：11。5千米/秒的風洞到底要幹嘛？
第一宇宙速度返回的最高速度也就25馬赫，即使考慮高層大氣音速降低也不過30馬赫，為什麼要11。5千米/秒？這個可是妥妥的第二宇宙速度返回，真要造殲星艦嗎？
其實還真不是，因為載人飛船從月球或者火星返回就是第二宇宙速度，此時有兩個選擇，一個是減速進入環繞軌道然後再執行返回，另一個則是直接以第二宇宙速度返回，前者比較保險但會消耗大量燃料，後者比較激進但更省錢。
有了11。5千米/秒的激波風洞後，將會設計出更合適的水漂彈道讓載人飛船返回地球，這個軌跡要求非常高，而且還不能讓過載超過宇航員承受極限，這比嫦娥五號取樣返回的返回艙軌跡控制要求高得多，因此這種極高超音速風洞是為未來的載人月球和火星計劃服務的。（本文還有續集，請返回首頁查詢下一篇：
美軍慌了？沒有風洞也要造高超音速！中國JF22風洞：領先西方20年
）（完）
參考：
https：//www。scmp。com/news/china/science/article/3191777/chinas-record-breaking-wind-tunnel-goes-mach-33-thanks
https：//www。scmp。com/news/china/science/article/3162118/chinas-secret-wind-tunnel-key-testing-hypersonic-missiles-and？module=hard_link&pgtype=article
