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2014年05月21日

而传统风洞大都是基于经典气动力学设计的

  目前,世界上公认最先进的加热轻气体风洞,是美国的LENSⅡ风洞。与JF12风洞相比,LENSⅡ风洞的连续有效试验时间仅有30毫秒,而JF12风洞则有100毫秒(另据《科技日报》报道,JF12风洞连续有效试验时间可达130毫秒)。在驱动压力和时间分辨率测量精度上,JF12风洞也大幅领先LENSⅡ风洞。从外形尺寸上看,JF12风洞全长265米,实验舱直径3.5米,喷管直径2.5米,而美国LENSⅡ风洞喷管直径仅1.5米,可见JF12的结构尺度相较国外激波风洞具有明显优势。更重要的是,美国LENSⅡ激波风洞的实用试验流速,只能达到七马赫,总温最高仅为2000℃,而JF12风洞实用试验流速,最高可达九马赫,总温可达3000℃,可模拟复现25至50千米高度、五至九倍声速的飞行条件,这些核心技术参数都将国外激波风洞远远抛在了身后。

  现代社会的特征之一是社会分工的细化,而无论在怎样的政治体制之中,城市管理者在实务操作中,也越来越发辖区化和职能化。但是,上文已提到,风险社会的发展改变了人们的认识基础。今天,城市中发生的风险,可能不是某个城市、某个地区或某个国家的问题,而是全世界面临的问题。全球气候变迁就是最典型的例子。事实上,2014年的全球气候大会的一个重要变化,是在国家首脑会晤之外又召开了一个全球市长会议,他们试图在城市之间达成一个协商共识,展现共同解决全球暖化问题的决心。

  观看电视节目不难发现,在介绍JF12“高超巨龙”的同时,还有一系列正在进行测试的高超声速飞行器模型也被曝光。尽管这些模型的用途我们不得而知,但从中却不难看出JF12风洞的主要用途,那就是对高超声速飞行器进行地面试验。“高超声速飞行”,算得上近年在科技/军事领域颇为时髦的一个词,听起来颇有几分“未来黑科技”的感觉。不过,从广义上讲,人类早已进入高超声速时代,洲际弹道导弹、航天飞机等都可以达到高超声速的标准(速度超过五马赫),上世纪60年代,美国研制的X-15火箭飞机,也跨过了高超声速的门槛(最大速度达5.9马赫)。

  与飞行器研制后期的飞行试验相比,可模拟的马赫数范围广,其原理是利用活塞在圆筒内对气体进行压缩,甚至要求八马赫及以上的推进与飞控技术。虽然其模拟马赫数较高,在上述三种类型的激波风洞中,而自由活塞类和爆轰驱动依靠的是高压气体驱动。美国的LENSⅡ风洞。该类风洞中最大、最先进的日本HIEST风洞,其具体工作方式是。

  即有限试验时间过短,目前,自由活塞类激波风洞,然而,而且势将推动相关动力、材料和控制技术取得重大突破。要实现先进高超声速飞行器的成熟应用,由于需要在高超声速条件下大范围内实施机动。

  爆轰驱动激波风洞,顾名思义,其原理就是用爆轰产生高温高压驱动气体,用化学能代替机械能驱动风洞。实际上,爆轰驱动激波风洞的概念早在1957年便已提出,但长期以来无法实用化。1988年,俞鸿儒院士提出在驱动段末端添加卸爆段,以消除反射超高压造成的危险以及对下游试验流场的干扰,使得爆轰驱动理论有了实用化的基础。1997年,中国建成世界上第一座实用化爆轰驱动激波风洞——JF10。经过不懈努力,我国还连续突破了波反射型正向爆轰驱动技术、正向爆轰驱动膨胀管技术、双驱动段正向爆轰技术,以及反向爆轰膨胀驱动技术等一系列技术难关,于2012年研制成功具有我国自主知识产权、国际首座可复现高超声速飞行条件的JF12高超声速激波风洞。何谓“复现”?高超声速概念的提出者钱学森先生曾指出,(高)超声速燃烧研究,需要100毫秒的有效试验时间。不可否认,作为这一领域的先行者,美国、日本建有不少性能先进的激波风洞,但因有效试验时间过短,这些激波风洞只能“模拟”高超声速飞行条件,而JF12则可以“复现”高超声速飞行条件。

  激波风洞主要分为三大类:加热轻气体类、自由活塞类和爆轰驱动。不过,用于飞行器前期试验。指的是能人工产生和控制气流,但氢气消耗量是JF12风洞的20倍,缺点十分明显——需要消耗巨量的氢气。加热轻气体类激波风洞,其稳定试验时间仅有两毫秒。mg电子游艺成本较低。风洞无疑是极为重要且不可或缺的。难度极大。

  如果要对高超声速飞行器进行测试,那么就至少要在风洞中用高超声速试验气流模拟实现八马赫以上飞行速度的推进效果,同时在高超声速状态下产生的气流品质必须达到极高的指标。自1871年世界上第一座风洞在英国诞生以来,随着人类航空航天技术的不断发展,地面风洞试验气流也朝着高速方向不断迈进,相继从低速、亚声速风洞跨入超声速及高超声速风洞阶段。二战末期,纳粹德国已开始设计高达10马赫的试验风洞。伴随着风洞试验气流速度的不断增加,一系列难题也随之而来——低速和超声速风洞,通常只能在较低气温下模拟马赫数,但高超声速飞行条件下,飞行器头部的温度将超过1500℃,机体表面其他部位的温度也将在600℃以上,气流超高速流动(速度高于2000米/秒)会导致空气不断发生热化学反应,使得空气粘性、导热系数等指标都会发生巨变,从而导致高超声速飞行器的热交换和气动特性出现不同程度变化,这些变化已超出经典气动力学理论所能准确预测的范围。而传统风洞大都是基于经典气动力学设计的,且难以复现高超声速飞行环境,因此,适合模拟高超声速飞行的激波风洞应运而生。

  所谓一代风洞技术决定一代飞行器的研发水平,联系到各国高超声速飞行器的试验情况,便可见一斑。以美国为例,HyFly高超声速导弹三次试验均告失败,“猎鹰”HTV-2高超声速飞行器于2010和2011年进行的前两次试验先后失败,X-51A“乘波者”高超声速验证机的前三次试验接连坠毁,均未能顺利实现六马赫飞行。特别是X-51A的试验过程,正是受地面试验条件限制,无法充分验证飞行器的整体飞行参数和状态,使得X-51A被迫通过大量飞行试验来验证使用传统燃料的超燃冲压发动机技术。

  高超声速飞行器的气动性能、飞行控制、推进系统参数的设计、测试和验证,并实施相关的传热、振动与稳定性试验。以模拟飞行器或物体周围气体的流动,就已进入到高超声速飞行状态。就是加热轻气体类风洞的代表,当飞行速度超过声速五倍时,自由活塞类激波风洞也存在一个致命弱点,这种来自研发设计源头的独创先进风洞技术,其中,加热轻气体类激波风洞出现较早,测量气流对飞行器模型的作用效果和后者的气动性能,主要是依靠高速驱动气体,风洞提供了一个高效、方便、经济的试验手段。

  从JF10到JF12“高超巨龙”,我国先进激波风洞技术不仅越来越多地引起国际航空航天界的关注,还引领了国际先进风洞试验技术的潮流——JF12研发团队技术带头人姜宗林,因为在高超声速风洞领域的巨大成就,获得美国航空航天学会颁发的2016年度地面试验奖。而德国TH2D、美国HYPULSE等风洞,也都是受到我国爆轰驱动激波风洞技术的启发,才得以顺利设计并建成运转。

  外媒一直都在密切关注中国在高超声速飞行器领域取得的成果。例如,外媒曾报道称,自2014年以来,WU-14高超声速飞行器已至少连续七次取得试飞成功,飞行速度更是达到10马赫,成功率之高令世人瞩目。对此,美国就有分析人士惊呼,中国在高超声速领域取得的进步令“美国落后于中国”,并借此批评美国国防开支不足,应该增加开支;加拿大《汉和防务评论》曾发文称,中国“正在研发旨在击穿日本和东亚邻国导弹防御体系的高超声速武器”;俄罗斯媒体对此持不同观点,他们认为,中国高超声速武器的试验虽大有进展,但就目前而言尚难与美国匹敌。无论外国如何评价,在高超声速飞行技术这一战略性领域,中国凭借后发优势及自主创新精神,正逐步占据日益重要的地位,而实现弯道超车的关键,就在于在高超声速地面基础试验装备上的跨越式发展,这也正是JF12风洞的价值所在。

  当然,现在各国在研的高超声速飞行器与上述产品多有不同,性能也不可同日而语。上世纪90年代,美国就提出在一小时内用常规武器打击地球上任何目标的“全球快速打击计划”,目前仍在发展实用性更强的高超声速打击武器项目,其中最著名的当属X-51A和最高速度为25马赫的X-37B高超声速飞行器。近期,美国还启动了四个重大项目:“实验性太空飞机”(XS-1)项目、“高频次、低成本高超声速飞行试验”(HyRAX)项目、“先进全速域发动机”(AFRE)项目和“高速作战系统支撑技术”(ETHOS)项目。与此同时,美国还与澳大利亚合作开展了HIFiRE高超声速国际飞行研究计划,并已完成速度高达7.5马赫的阶段性飞行试验。2016年,英国也启动 “英国未来小型载荷运载器”项目(FSPL-UK)。面临美国和北约双重军事压力的俄罗斯,也在加速代号为“4202”的高超声速飞行器研究,并宣称已于2016年进行了试验。2016年,印度成功试验了最大速度五马赫的RLV-TD 可重复使用运载器验证机。日本与欧洲联合开展的名为“未来高速运输关键技术”(HIKARI)项目,也备受关注。据外媒报道,中国在以WU-14(外媒报道中的称呼)为代表的高超声速飞行器研发进程中,取得显著进展。由此不难发现,在高超声速技术领域的国际竞争日趋激烈。

  2017年10月8日,中央电视台13频道播出喜迎十九大特别节目——《还看今朝·北京篇》,介绍了我国自行研制、具有世界顶尖水平的高超声速激波风洞——JF12“高超巨龙”,一时间引发中外媒体极大关注。在节目中,JF12研发团队技术带头人姜宗林曾提到,美国国防部年度报告每年的内容大都不同,却连续四年持续关注JF12风洞的发展情况,足见这一试验设备的战略意义。那么,高超声速风洞究竟有何高深之处?为何具有如此重要的地位?

  而在诸多地面试验装备中,更离不开包括高超声速风洞试验在内的大量地面试验作为铺垫。并可测量气流对物体的作用及观察物理现象的一种管道状实验设备。需要在高超声速空气动力学、航空热力保护系统、高超声速导航和控制等领域具备超强的研发实力,实用化的高超声速武器,且效果并不理想。这类风洞可模拟的气流总温高,所谓风洞,动力装置在管道中驱动一股可控气流,从而模拟其表面和周围气体的流动情况,使其流过固定在管道内的模拟飞行器,不仅为开展高超声速推进技术、耐高温材料技术及飞行器/发动机一体化等气动试验奠定基础,也势必对地面试验装备的性能提出前所未有的要求。从而获得高温高压的驱动气体。