先进风洞助力导弹研发，各国专家对风洞态度各异

　　白二娃

　　近期，我国火箭军成功进行了洲际弹道导弹12000 千米的全程试射，弹头准确命中目标海域，顺便还创下了全球导弹实射最远纪录。

　　其实，我国导弹能打得这么准、高超声速武器领先全球，关键原因是我国拥有一套全球独一无二的先进风洞系统，其中的代表是两款世界最先进的风洞：JF-12 和JF-22，J 代表激波，F 代表风洞，12 和22 是系列号。

　　去年， 央视曾详细报道了这款JF-22 超高速风洞（爆轰驱动超高速高焓激波风洞），它能复现30 倍声速的飞行条件，为研发天地往返飞行器、高超声速导弹以及第六代战机提供重要助力。项目负责人称，其综合性能指标领先西方“大约20 至30 年”。对此，国外科学家对建造大型风洞群有不同的看法。

　　现代飞行器设计依赖风洞

　　风洞可以产生强力的气流，能模拟飞行器高速飞行时气流的作用效果，是飞行器设计中关键性的实验装置。有一代风洞一代飞机的说法。

　　现代飞行器的研发对风洞依赖性很大，例如，美国研制B-52 轰炸机，进行了约1 万小时的风洞实验，到了研制第一架航天飞机时，则进行了约10 万小时的风洞实验。

　　科研人员在设计飞行器时，必须确定它的空气动力学特性，也就是需要知道空气作用在这款飞行器上的变化规律。理论上，可以使用计算流体力学（CFD）软件来验算，但当前流体力学公式尚无法反映真实世界中空气流动的全部变化，最后还是需要到天上做实验验证。

　　当初，我国在设计歼八时，由于没有超声速风洞，没法搞清楚歼八的气动特性，便无法解决超声速飞行时的方向安定性问题和跨声速时飞机的抖振问题。歼八的总设计师顾诵芬只能让原型机身上贴满毛线飞行，他从另一架飞机上通过观察毛线的运动状态来分析歼八的气动特性。但这种办法必须先造出能飞的原型机然后再改进，可想而知没有风洞条件下研发飞行器有多困难。

　　风洞能从管道中吹出特定速度、温度、气压的高速气流，把等比微缩的模型放进风洞吹，就能模拟飞行器在各种环境下的飞行状态，用传感器测量空气在飞行器表面的气动力情况，便能大大加快飞行器的设计进度。

　　另辟蹊径的中国风洞

　　风洞的原理很简单，就是想办法产生高速气流，当然这也是最难的部分。

　　风速小于0.8 马赫的低速风洞用大风扇吹就行。速度在0.8 到1.2 马赫的称为跨声速，小于5 马赫为超声速，超过5 马赫的叫高超声速风洞。

　　马赫数是速度与声速的比值，通常用于描述飞机、火箭等飞行器的飞行速度。由于声速受高度、温度、大气密度的影响，有不同数值，因此“1 马赫”的具体速度其实并不固定。通常认为，1马赫是340 米每秒，洲际导弹的末端速度达30 马赫，就是10.2 千米每秒。

　　传统超声速风洞使用“自由活塞驱动技术”不断给空气加压并储存在高压气罐中，然后一次性释放，产生高速气流。这种方法需要消耗大量能源，因此这种风洞需要配专门的发电站甚至水库。产生的高速气流速度虽然宣称最高能达到30 马赫（美国LENS 系列激波风洞），但持续时间仅有几毫秒。

　　而中国风洞研究另辟蹊径，选择了国际上当时已经放弃的用爆炸产生高速气流的技术路线。经过三代人的努力，中国风洞的技术水平已领先世界。

　　中国风洞人

　　两弹一星功勋科学家钱学森，作为空气动力学专家在1946 年提出高超声速概念，定义了马赫数大于5 就属于高超声速飞行。回国后的钱老在1956 年将郭永怀召回祖国，主持高超声速相关研究。

　　钱老作为流体力学的大师，很早就意识到边界条件、计算算力、误差、模型精确性等制约因素让模拟计算无法替代风洞实验。郭永怀也意识到风洞设备的重要性，便支持他的学生俞鸿儒开展脉冲型风洞的研究。2024 年4 月，96 岁高龄的俞鸿儒院士走上感动中国年度人物讲台，为我们讲述了中国风洞的故事。

　　俞鸿儒说，当时这个风洞项目是一个没技术、没人才、没资金的“三无”项目，郭老师把项目交给自己，应该是看中自己脑袋瓜好使，动手能力强。并且老师很宽容，给了10 年时间，不要总结、不要汇报，只要求不能伤人死人。

　　为啥会死人呢？因为俞鸿儒选择了成本最低，不需要压气机的氢氧燃烧路线。用氢氧混合气爆炸产生高速气流，这虽然省钱但很危险，是国外早已放弃的技术路线，但俞鸿儒的项目没钱，只能选这条路。

　　脑瓜灵活的俞鸿儒对不能伤人死人的理解是“大概房子是可以炸的”。果不其然，俞鸿儒炸了多次房子，好在每次实验他们都注意清场，人都没事。而郭永怀、钱学森对俞鸿儒这条外国人没有走的研究路线也格外保护，帮他挡住了很多质疑，每炸一次还表扬他一次。好在炸了几次之后，俞鸿儒找出氢氧混合比例的规律，此后几十年再也没炸过。20 世纪60 年代末，俞鸿儒带领团队花了8 万元加工费就建成了与国际水平相当的JF8 激波风洞，为当时的导弹、火箭、卫星攻克难关提供了重要助力，完成了与郭永怀烈士（1968 年因空难牺牲，遗体被找到时与警卫员紧紧抱在一起，他俩用身体护住的绝密文件完好无损）的十年之约。而同时期北大耗资80 万元才建成一个更小的风洞。

　　1999 年，俞鸿儒将姜宗林引进回国，中国风洞传承到了第三代。2012 年5月JF-12 复现风洞通过验收，它能复现25~40 千米高空、5 到9 倍声速的高超声速飞行条件，持续时间长达100 毫秒。让风洞实验从状态“模拟”到真实“复现”，攻克了60 年来风洞研究的世界性难题，成为当今整体性能最先进的激波风洞。并且JF-12 风洞，是姜宗林团队仅花费4600 万元经费耗时4 年时间建造的，每次实验成本仅5000 元！

　　2023 年，姜宗林团队研发的新型爆轰驱动超高速高焓激波风洞（JF-22 超高速风洞）正式验收。该风洞能够复现30 倍声速的飞行条件，可供科研人员研发天地往返飞行器、高超声速导弹以及第六代战机使用。姜宗林称，其综合性能指标领先西方“大约20 至30 年”。

　　风洞工作原理详解

　　从外观看JF-12 风洞是一根265 米长的管子，从右向左依次是，E 形真空罐作为实验段（40m）、喷嘴（15m）、从动段（89m）、钢制膜片（高压下会破裂）、爆震驱动段（99m）、阻尼段（19m）。

　　实验时，模型放在E 形真空罐正对喷嘴的位置，向爆震驱动段的管子中充入氢氧混合气体，在右端靠近膜片的位置点火，形成高温高压的燃气。

　　当燃气全部被点燃后从阻尼段反弹，向外膨胀撑破膜片，剧烈推挤存放在从动段中的工作气体（空气、氦气或二氧化碳）。这会在从动段形成超声速运动的正激波，这道激波被左方的高压燃气不断挤压，到达喷嘴时形成压强高达几十兆帕、温度近千摄氏度的气体。

　　这些高温高压的气体到达喇叭形的喷嘴处，开始膨胀降温减压，同时流速急剧升高，在喷嘴末端达到5~9 马赫、温度恰好降低到实验要求的温度。然后吹进真空的实验段。形成长达100 毫秒的高速气流。这一速度刚好适合高超声速导弹和歼20 的研制。

　　JF-22 风洞的结构与JF-12 类似但功率更大，主要的改进是将点火位置从爆震驱动段的右端移到了左端，这样点燃从右向左正冲到膜片上的激波就是一手激波（JF-12 是反弹的二手激波），能量更大，可以在实验段形成30 马赫的气流。

　　外国为啥没有同等级风洞

　　相比中国，西方国家对研发和建造大型风洞群有不同的看法。他们认为超级计算机模拟能够替代风洞实验，又因为压缩空气路线的发展遇到了瓶颈，所以放弃了花费巨资继续升级风洞群的计划。

　　美国高超声速和航天工程专家克里斯·库姆斯这样评价中国的风洞：中国关于对JF-22 的“吹嘘”忽略了“全世界各种已经存在几十年的风洞设施”。他说，早有好几座风洞实现了20 马赫以上的模拟（而非复现）。而30 马赫只能用于从月球或火星返回，这意味着，“除非他们要从月球上发射导弹，否则这并没有什么真正的军事价值”。另外他认为爆轰风洞会改变空气的化学成分，模拟的情况已经失去航天的代表性。

　　但实际情况是，国外风洞持续时间最多仅30 毫秒，无法满足高超声速发动机的实验所需持续时间。这被认为是美国的高超声速导弹的研制迟迟无法成功的原因之一。