真要设计歼星舰？中国测试33倍音速风洞：模拟11.5千米/秒超高速
2022年9月8日，《南华早报》报道了一个有些让人震惊的消息，中国正在测试破纪录的33倍音速风洞，而比较让人意外的是，这个高超音风洞的技术居然源自澳大利亚！这风洞究竟是什么原理？如此高超音速的风洞又是拿来干什么的呢？
中国破纪录的风洞达到33马赫
据《南华早报》报道称，一篇于9月1日发表在《航空学报》上的论文介绍了这个极高超音速的研究项目，风洞已经在中国西南部建成，管道直径为0.8米，这是一种基于自由活塞驱动激波风洞！
这种风洞极速可模拟2.5~11.5千米/秒的极端飞行条件，这个速度是多少呢？大概是音速的33倍，不过《南华早报》报道有些误区，因为音速会随着空气密度的降低而下降，在极高超音速下马赫数（音速的倍数）会偏高一些。
这种基于自由活塞驱动激波风洞被称为Stalker管，最早是澳大利亚科学家提出的概念，所以这南华早报说技术源于澳大利亚还真是标题党，但又找不出毛病来！不过建设在澳大利亚的风洞规模大约只有中国的一半水平，模拟的极速比较低，这从美国和澳大利亚在2020年8月签署的一些合作中研制最高速度为8马赫的飞行器可见一斑。
Stalker管的高超音速风洞原理是利用高压氮气来驱动一个长行程的大型活塞，将这个活塞加速到数百千米的时速，它将会急剧压缩前方的空气，此时这些空气会被压缩到极端的高压环境，并且会以极高超音速的速度流过一条狭长的管道。
需要在高超音速条件下测试的模型就会放置在这个管道中，管道壁上会有超高速摄像机，从可见光到红外波段全方位记录气流经过模型时激波以及温度分布，当然在后方还会有气流采样，因为在极端高超音速条件下，不仅会有空气动力学作用，还会与机体表面产生电离以及化学反应。
而中国在西南某地的这个Stalker管激波风洞，目前以11.5千米/秒的超高速度创下了全球风洞之最，但是要如此高速度干嘛呢？就算从近地轨道再入大气层也只有7.8千米/秒左右的速度，而且在再入前还会减速离轨，最终速度还会略低一些，大概只有25马赫，所以这个33马赫的风洞，真的要制造歼星舰了吗？
风洞：从低音速到高超音速，都有什么用？
风洞这个东西有点高大上，不过分类却通俗易懂，按应用上来分可以分成航空风洞，汽车风洞、气动声学风洞、高焓风洞与吹桥梁大楼的工程风洞等，从速度上来分低速风洞、高速风洞、亚音速和跨音速风洞、超音速风洞、高超声速风洞，根据名词基本上也能了解部分应用范围，但相信观看本文的朋友，绝对不是来看什么汽车风洞或者工程风洞的，高超音速风洞才是大家感兴趣的地方。
高超音速飞行：不只是常规空气动力效应
高超音速飞行领域与我们常见的空气动力学差别非常大，一般条件下气流不是产生升力就是产生阻力，但在超过音速后还会产生激波，这个激波会随着速度增加逐渐变得尖锐，因此当飞机还是平直翼时完全不适合超音速飞行或者强度需要加强到远超亚音速飞行的设计需求。
因此超音速飞行的机型机翼是梯形或者三角形，这些翼型可以推迟激波产生，甚至到了高超音速之后变成箭形，但这远远不够，因为激波会压缩前方的空气形成极端高温，比如像宇宙飞船返回地球时穿过大气层的激波加热的温度可达2000℃以上！
在如此极端的条件下飞行，空气分子在几千度的高温下激发，解离，化合甚至电离，这个环境绝不是计算机模拟所能达到的，大气成分非常复杂，而且高空空气稀薄，和稠密大气的高超音速是不同的条件，唯一的办法就是制造风洞复现环境。
高超音速风洞：大型风洞还是激波风洞？
在我国风洞研究的中期，也就是1985年左右，国外早已有大型超音速风洞，美国和苏联走的就是这个路子，马赫数（音速倍数）、高雷诺数（大致表现气流粘性的系数）、吹风时间几十秒级的超大型风洞，这种风洞耗电量极大，启动后甚至可能对整个城市的用电都产生影响。
显然我国当时并不适合建造这种大型风洞，因此钱学森就建议发展激波风洞，走短脉冲（几毫秒至几十毫秒）风洞道路，激波风洞是脉冲式风洞的一种，利用激波压缩和加热气体的风洞，短时间内达到测试要求，以节约投资和用电消耗，事实证明，我国这条路子不但走对了，而且一直走到了极高超音速的路子上，钱学森的眼光是极端毒辣的，因为大型风洞要向高超音速领域方向前进，也是殊途同归。
激波风洞的路线：完全超出了大家的想象
高超音速风洞结构中不再有风扇，也根本就看不到大型风洞结构，而是只有一根不同直径拼接起来的管子，而实现的方式也完全超出了想象，一般的实现方式有下面几种：
- 通过加热轻气体来产生激波
- 用自由活塞产生高压气体产生激波
- 爆轰驱动空气产生激波的风洞
加热轻气体产生激波的风洞结构看着就像一个不同直径的管子对接，它主要分成几个部分，首先气体加热（一般是氢气或者氦气），让其处在在极端高压下，然后打开阀门通过一个膨胀室，扩散的激波驱动前方工作气体（一般为二氧化碳、氦气或者氮气或者氧气等），这个驱动气体再通过激波管推动测试气体（一般为稀薄大气成分），在这些气体之间会有气膜隔离，防止在测试前混合。
这些测试气体的激波会高速驱动穿过飞行器测试所在的区域，模拟出飞行器在高超音速条件下可能遭遇的形态，其测试时间大约为200~260微秒，时间是比较短的，但每次测试时氢气消耗却非常大，成本相当高，我国似乎没有选择这条路线。
美国的LENS-II
其代表风洞是苏联的U-12风洞和美国的LENS系列风洞，其中美国的LENS风洞有LENS-I,II和LENS-X等多个风洞，驱动气体在30000psi（2041个大气压）的压力下工作，能模拟7~18马赫左右的环境，其测试模型的最大长度为12英尺（3.6米），直径为3英尺（0.9米）。
曾经测试并成功应用的有航天飞机、X-34以及X-43，也算是为NASA的喷气推进实验室立下了赫赫战功。
- 自由活塞产生的高压气体产生激波
自由活塞的高压气体激波驱动的风洞结构其实和加热轻气体比较类似，只是产生高压气体的方式存在相当大的差异，这个原理似乎并不复杂，一个长行程的活塞被后方的高压氮气驱动，会高度压缩气缸内的气体以达到极高的压力。
Free-Piston Driven Shock Tunnel
满足测试压力后通过一个减振管道再泄入膨胀腔体，通过激波管驱动测试气体的激波穿过测试区域，模拟极端环境下的气动效应，其最大模拟的高超音速环境可达25马赫以上，目前比较有代表性的风洞为澳大利亚昆士兰大学的T4和日本国家航天实验中心的HIEST以及我国的JF-8A。
日本的HIEST
澳洲的T4全称为T4 – Free-Piston Driven Shock Tunnel（T4 – 自由活塞驱动的冲击风洞），活塞质量为92千克，其模拟的速度范围为4~10马赫。
昆士兰大学的T4
日本的HIEST是此前这类风洞中尺寸最大，技术最成熟、实验时间最长的代表，压缩管长度42m，激波管17m，喷管直径1.2m，喉道直径50mm，稳定实验时间2毫秒。
日本的HIEST一次测试压力变化曲线
中国的JF-8也是这类风洞，比起澳洲和日本来，JF-8有不少差距，不过各位要知道的是JF-8风洞是我国1968年就建造完成的风洞，并且日本的HIEST也存在稳定性特不太好，2毫秒测试时间内压力变化剧烈等问题。
目前《南华早报》中介绍的我国自由活塞驱动的风洞已经解决了活塞风洞中稳定性差、时间短的问题，并且其最高测试速度达到了33马赫，压缩气体用的自由活塞质量达到了840千克，其尺寸惊人（加州理工的T5自由活塞风洞的活塞质量为120千克），不过在《南华早报》的报道中未公开具体型号。
- 爆轰激波风洞
它利用的是可燃气体爆炸产生的激波来推动测试气体，我国在爆轰风洞研究领域是非常早的，原因有两个，一是钱学森和郭永怀的对高超音速领域的高瞻远瞩，很早就在高超音速领域布局研究；另一个则是爆轰风洞的成本要比其他类型的门槛要低（但其实控制技术要求极高）。
俞鸿儒
郭永怀的学生俞鸿儒是这项研究的主力，选择的是氢氧爆轰，但由于控制不好非常容易发生爆炸，其中最严重的一次是把实验室房子都给炸塌了，但俞鸿儒并没有气馁，终于在1962-1964年，先后研制成JF4直通型激波风洞和JF4A反射型激波风洞！
4年后，JF8激波风洞问世，性能参数达到国际水平，到了上世纪九十年代，氢氧爆轰驱动高焓激波风洞（JF10）建成，成为国际首座成功运行的爆轰驱动激波风洞。
JF-12复现爆轰风洞：全球顶尖技术
请注意关键词“复现”，以前都是模拟高超音速环境，但JF-12风洞是“复现”，这个意思是1:1提供飞行器真实的飞行环境，其取得的数据和实际飞行中是一样的，这个复现的要求也使得这个风洞的尺寸大到了相当恐怖的级别：
JF-12爆轰激波风洞
JF12复现风洞总长265米，是迄今世界上最大、性能最先进的超大型高焓激波风洞，其复现的环境是高度40-80公里、飞行速度3千米/秒左右的极端高超音速条件，而且有效测试时间长达100毫秒，这是什么条件？这个范围是近地轨道飞船返回经历的黑障区域！
除了飞船返回以外还有亚轨道航天器也在这个空间飞行，另外还有极高超音速飞行（10倍音速以上的航天器）也在这个区间飞行，JF12的试验段直径达到了3.5米，这个规模甚至可以让高超音速飞行器实物丢进去测试，比如DF-17和DF-26的弹头根本不需要做缩比模型，因此JF12复现风洞出现后，我国的高超音速技术进展是相当快的。
JF12风洞是在2012年5月顺利通过验收的，各位可以了解下我国高超音速武器出现的时间，基本就在这个风洞后就开始雨后春笋一般冒出来，当然超音速武器不是一蹴而就的，但有时候就缺临门一脚，JF12就是最关键的一脚！
负责建设JF12风洞的是姜宗林院士，此后姜宗林和他负责设计建造的JF12风洞在国内多次或将，还获得了美国航空航天学会2016年度AIAA Ground Testing Award（地面试验奖），2017年，JF12复现风洞先后获得“国家技术发明二等奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”，2018年，激波风洞团队荣获中华总工会“全国工人先锋号”。
回到本文开头：11.5千米/秒的风洞到底要干嘛？
第一宇宙速度返回的最高速度也就25马赫，即使考虑高层大气音速降低也不过30马赫，为什么要11.5千米/秒？这个可是妥妥的第二宇宙速度返回，真要造歼星舰吗？
其实还真不是，因为载人飞船从月球或者火星返回就是第二宇宙速度，此时有两个选择，一个是减速进入环绕轨道然后再执行返回，另一个则是直接以第二宇宙速度返回，前者比较保险但会消耗大量燃料，后者比较激进但更省钱。
有了11.5千米/秒的激波风洞后，将会设计出更合适的水漂弹道让载人飞船返回地球，这个轨迹要求非常高，而且还不能让过载超过宇航员承受极限，这比嫦娥五号采样返回的返回舱轨迹控制要求高得多，因此这种极高超音速风洞是为未来的载人月球和火星计划服务的。（本文还有续集，请返回首页查找下一篇：美军慌了？没有风洞也要造高超音速！中国JF22风洞：领先西方20年）（完）
参考：
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
