從模擬到復現 中國將建「超級風洞」
本報記者 馬愛平
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據央視新聞頻道3月16日報導，中科院高溫氣動力國家重點實驗室工作人員透露，其團隊正在研製的新風洞模擬馬赫數可達10—25，試驗流場直徑2.5米，將是世界最高水平。
「作為先進飛行器的研發平臺，建最高技術水平的風洞，全世界都在爭。我們正在研製的這種新超高速風洞，計劃四年左右建成。」21日，該重大項目的首席科學家姜宗林告訴科技日報記者。
風洞技術決定飛行器水平
風洞是推動航空航天飛行器發展的國家重器，一代風洞技術決定一代飛行器的研製水平，代表著一個國家的科研實力。
此次央視報導的「復現高超聲速飛行條件激波風洞實驗技術」(以下簡稱「JF12復現風洞」)，有近300米長，是世界上最大的激波風洞，被國際同行稱為「超級巨龍」(Hyper-Dragon)，是國際首座可復現高超聲速飛行條件的超大型高超聲速風洞。姜宗林告訴記者，JF12復現風洞是地面氣動試驗這頂皇冠上的明珠，也是氣體動力學研究領域科研人員心中的珠穆朗瑪峰。
基於中國科學院院士、中科院力學所研究員、空氣動力學家俞鴻儒的爆轟驅動方法，姜宗林團隊從2000年就開始探索復現風洞理論與創新技術驗證。經過了16年的艱苦努力，2017年完成JF12復現風洞的系列實驗研究。
從國際高超聲速風洞技術發展來看，JF12復現風洞突破了三大「卡脖子」的技術瓶頸：風洞驅動功率小、實驗時間短、測量精度低。難能可貴的是，在復現風洞團隊的研製工作中，從復現風洞理論，到以九項關鍵技術為核心的技術體系，再到風洞設計，這是一個「跨界」的研究過程。團隊成員既是科學家，又是工程師。一套設備，幾千張圖紙，有多少疑難，就有多少討論與質疑。通過不斷的努力，他們做到了一次安裝到位，一次調試成功。
關於JF12復現風洞，中國空氣動力學學會專門撰文說：「復現風洞理論和技術解決了困擾高超聲速實驗60年的世界難題，實現了風洞實驗狀態從流動『模擬』到『復現』的跨越，引領了國際先進風洞試驗技術的發展。」
模擬5—25馬赫高超音速
目前，世界上與中科院JF10風洞(馬赫數7—20)在原理上相近的，是美國1994年為NASA(美國航天局)建成的HYPULSE風洞，其測試速度為5—25馬赫，最高據稱可達30馬赫。此外，美國還有「國家高能激波風洞」(LENS)，速度也可達7—22馬赫。
不過，這類風洞儘管測試速度非常高，但試驗時間非常短，實驗流場小，無法滿足具有化學反應流動特徵的氣動性能試驗需求。10—25馬赫大型超高速風洞，可支撐高超聲速滑翔、大氣層再入等飛行器的研製。
據了解，JF12復現風洞團隊在中國科學院是一個比較大的群體，由高溫氣體動力學國家重點實驗室的三個課題組組成。姜宗林擔任隊長，俞鴻儒院士擔任學術指導。目前團隊主要承擔著高超聲速和高溫氣體動力學領域多個基礎性和應用基礎性研究課題，項目背景都是針對未來人類實現「兩個小時內全球旅行」的高超聲速飛行器開展的。這包括飛行試驗/地面實驗數據相關性理論、飛行器氣動力/熱特性、新型氣動熱管理概念、飛行器/發動機一體化實驗技術和新型高效推進方法探索等。
高超聲速復現風洞技術是對世界風洞實驗技術的一種跨越，具有自己完整的理論體系。但是，隨著時間的推移和宇航技術發展需求的提升，也必將提出更高的要求。「高超聲速飛行應該是必然的，但是真正高超聲速時代何時才能到來，直至今日，我們仍然在不斷努力。」姜宗林說。
「JF12復現風洞可以復現高度25—50千米、馬赫數5—9的高超聲速飛行條件，主要針對吸氣式高超聲速巡迴飛行器的研發。新風洞將採用我國獨創的系列新技術，構建能夠覆蓋高度40—90千米、馬赫數10—25的超高速風洞試驗能力，解決天地往返、重複使用飛行器的氣動實驗問題。」姜宗林說。JF10和JF12兩個風洞的結合將形成一座覆蓋馬赫數5—25範圍空天飛行走廊的實驗平臺，這在國際上是唯一的，水平是領先的。對於我國高超聲速學科前沿難題探索和關鍵技術研發具有重大意義。