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

本文续接于上篇：“中国测试33倍音速风洞！模拟11千米/秒超高速，要设计歼星舰吗？”

引子比较有趣，9月6日，美国防部国防创新部门发布了一个关于超音速武器研制计划的要求，希望美军目前在研的高超音速武器少用美国为数不多的风洞设施，尽量用实际测试的数据支持研制计划，但同时要求研发单位能节省开支。

笔者看到这个新闻时直接惊呆了，这种直接不经测试直接上机的方式严重违反科学研究的一般流程，尽管看上去似乎很有道理，但这完全行不通！因为高超音速环境绝不是模拟所能达到的，下文将从高超音速武器与风洞的关系来简单描述下高超武器到底有哪几种，分别是什么原理，再来围观下美军的决定到底有多荒唐。

高超音速已经不全是空气动力学，而是一个复杂的大气极端高温下与机体表面复杂的一个交互过程，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，它与高超音速的多种技术相关性非常大。

高超音速技术：滑翔与吸气，两个都很重要

在上一篇文章中介绍了激波风洞的几个实现类型，那么它们到底有什么用途呢、上文的DF-17和DF-26已经点出了一部分，不过却没有相对系统性的做过介绍，就目前而言，高超音速领域的应用主要在以下几个部分：

• 1、高超音速滑翔类飞行器；
• 2、吸气式高超音速发动机；
• 3、再入返回大气层（第一宇宙速度和第二宇宙速度返回）；

高超音速滑翔类飞行器，比如上文说的DF-17就是其中一种，这种方式是将一枚升力体式的滑翔武器送到临近空间，然后在高超音速条件下进行滑翔的方式，此时就有几个要求了，哪种升力体在飞行器速度从十几马赫到几马赫的速度范围内升阻比最高、可以滑翔最远的距离？

还有高超音速滑翔时气动加热以及高超音速气流在飞行周围引发的畸变有多大，设备上的光学或者电磁窗口应该如何应付这种变化？还有在高超音速下已经电离的空气分子对机体的影响有多大？长时间飞行如何来冷却等等，数不清的问题，只有风洞才能解决。

滑翔类高超音速飞行器除了升力体外还有轴对称飞行器，这个高超音速升阻比要比升力体差很多，但门槛相对比较低，因为它可以转个角度均匀受热，对热防护要求明显降低。

吸气式高超音速发动机

这个领域基本有只有两个类型，一个是超燃冲压发动机，另一个就是脉冲爆震发动机，但由于超燃冲压发动机只能4-5倍音速以上才能点火，因此在实际情况中就只能用火箭或者涡轮喷气发动机加速到这个速度才能点燃了。

而风洞在此时就非常关键了，超燃冲压发动机的进气道和燃烧室该是如何的形状才能压缩效果好，但阻力却最低；进入进气道的气流在激波反射与压缩的哪个位置最适合喷入燃料；什么时候点燃；爆轰燃烧波扩散的情况如何？怎样保持稳定火焰等等都需要风洞才能告诉我们该怎么做，完成建模并造出实物才能上机测试，否则每次修改个参数都射一枚火箭或者空中测试一次，这个成本估计谁都吃不消。

走完了这些流程，才能将超燃冲压发动机和火箭或者涡喷组合起来装机测试，比如目前流行的组合发动机方式有TBCC（涡喷+超燃冲压）、RBCC（火箭+超燃冲压）、TREE（涡喷+火箭+超燃冲压）这些组合发动机，TBCC适合用在高超音速飞行器上，RBCC适合在导弹上，TREE则是空天飞机的动力。

爆震发动机也是高超音速的一个领域，这个采用等容燃烧的发动机效率很高，非常节省燃料，目前主要有三种，分别是脉冲爆震（多管爆震）、旋转爆震和倾斜激波爆震，其中脉冲爆震技术门槛最低，旋转爆震最接近实用，而倾斜爆震速度最高，但技术难度最大。

倾斜爆震的方式的进气道与燃烧室的结构与超燃冲压发动机非常相似，但两者又有些不一样，由于倾斜激波爆震对测试环境要求极高，没有足够时间的高超音速激波风洞以及持续的时间，根本就没办法测试，因此到目前为止仅有中国实现了点火测试，未来进展如何尚难预料，不过这也从侧面反应了中国的高超音速风洞技术已经独步全球。

33倍音速要干嘛？

高超音速风洞最关键的另一个应用就是再入返回了，到目前为止有两种方式返回，一种是像神舟、联盟以及猎户座和龙飞船的盾底烧蚀大底返回，这种以烧蚀的方式带走热量，保全飞船穿过极端高温的黑障区，是成本最低的返回方式。

另一种就是航天飞机的返回，这种方式则是近滑翔体方式的返回，目前中国的“空天飞机”和美国X-37B也采用这种方式，这种方式比钟形或者大锥形飞船的升阻比要高很多，但机动范围也是比较有限的，最远机动大约不超过200千米（极限），原本在将近100千米的高度下返回地球，其滑翔距离应该很远才对（最差的滑翔机升阻比也可以达到20）。

所以高超音速风洞也将为这些返回方式给出最优解决方案！但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。

美军动态：没有风洞也要造出高超音速飞机

2022年9月6日，防务新闻网站BreakingDefense上发布一篇美国防部的最新动态，标题就起得非常有意思：

“DIU plots hypersonic test plane, hoping to circumvent wind tunnel backlog”
DIU（美国防部国防创新部门）计划高超音速试验飞机，希望能绕过风洞问题

什么意思？事情是这样的，美军有能力研制高超音速武器的高超音速风洞或者高超音速激波风洞数量太少，目前美军急于突破高超音速技术的愿望又非常迫切（美军在高超音速技术上已经落后于中国至少5年以上），因此上马了一大批高超音速飞行器研制计划，结果这些仅有的风洞不是忙不过来就是远远达不到要求。

NASA 兰利 8 英尺的高超声速模型测试

因此DIU部门发出呼吁，要求新的高超音速武器研发降低对少数有能力的高超音速风洞的依赖，甚至让高超音速飞行器直接装机测试取得数据，DIU的一位发言人告诉是如下这样表述的：

“缺乏高超音速风洞是一个问题，我们拥有的少数设施已被预订。如果我们能够降低空中飞行测试的成本，我们也许能够缩短瓶颈并从实际飞行测试中获得我们需要的数据”

这就像一个根本没有学过驾照的学员直接上高速，确实有一些机会能成功，但风险实在是太大了，不仅不会节约成本，反而可能让开支远超预期，因为在高超音速下测试十分复杂，可能会造成多次摔机，甚至连数据都可能采集不全，这样的操作是不是有点像各位熟悉的外行知道内行的时代？

也许可以这样理解，对于中俄高超音速武器的装备，美军已经慌了，目前已经乱了招数，但高超音速武器的研发，只能从高超音速风洞着手，这是事情美军专家才有发言权，而DIU这帮人直接就想要结果，这是违背科学规律的。

JF22风洞：领先全球20年！

2021年6月8日，《欧亚时报》就曾报道中国30马赫测试环境JF-22风洞已经投入使用，《欧亚时报》援引《南华早报》的报道称，中国研究员韩桂来在线讲座时表示，位于北京怀柔区的JF22高超音速风洞，其能力将“领先西方约20至30年”。

据报道，JF22风洞使用化学燃料的爆轰式，其和JF12风洞的激波激发方式是一致的，据韩桂来介绍称，JF-22风洞能够在最高速度（约30马赫）的状态下维持平均130毫秒的运行时间，相比之下美国最先进的LENS II（自由活塞结构）只能达到7~8马赫并且只能维持30毫秒，两者看起来数据差别还是挺大的。

不过《欧亚时报》的报道中援引了圣安东尼奥的研究人员和教授、高超音速和航空工程专家 Chris Combs的说法称，30马赫的情况下已经基本上在太空了，这个已经没有意义，另外很多国家和地区的风洞都能达到20马赫以上。

另外这位专家也表示，JF22的爆轰激波风洞中的爆轰化学反应将会改变风洞内的大气成分，其成分将不再支持真实的大气环境，其测试结果将无法代表飞行。

笔者在这里说明下，无论是爆轰还是自由活塞或者高压气体，其驱动气体和测试气体都是隔离的，这位专家可能没听说过激波管吗？还有各个腔室之间的隔离板？至少在测试采样数据期间是可以保证测试气体环境的，这位专家到底学没学过激波风洞？

《欧亚时报》的记者尽管没有找出这位专家描述中的漏洞，但也表示JF22风洞在30马赫的高超音速下持续时间比全球其他类型的风洞要长得多，并且JF-22的测试腔室直径很大，可以塞进很多真实尺寸的飞行器，看起来和JF12一样是个复现风洞。

JF22应该是一个相当先进的高超音速风洞，这个设施投入使用，会让中国在高超音速技术上遥遥领先。另外JF22在民用领域也将有很大的用武之地，比如未来的腾云工程！

腾云工程：水平起飞，直达太空！

2016年9月13日，新华网报道称中国航天科工集团公司副总经理刘石泉日前在武汉举行的第二届商业航天高峰论坛上首次披露了“腾云工程”的“空天飞机”计划，这是一种可以执行航天发射任务，并多次重复使用的新一代天地往返飞行器，其飞行过程如下：

• 1、空天飞机可从地面机场水平起飞，在大气层中加速爬升；
• 2、到达30至40公里高度时一二级分离，一级水平着陆返回；
• 3、二级继续爬升进入近地轨道，完成运输任务后再入大气返回，具有廉价、安全、便捷、机动等优势。

二级就是一架和“神龙”空天飞机差不多的飞行器，大家可能不是很感兴趣，因为媒体报道的太多了，但它的一级可能会让大家相当惊喜，这架能到临近空间的飞行器规模之大超出各位的想象：

• 1、基本参数：机体长度为80多米，总重量高达140多吨！
• 2、动力系统：发动机为六台涡轮基组合循环的涡轮火箭冲组合动力发动机，
• 3、起飞方式：和普通飞机一样在机场起飞，
• 4、最高飞行高度：最大飞行高度3万米以上，
• 5、最高速度：依托于涡火冲组合动力发动机，其最高速度可达7马赫以上

所以，这架飞行器各位感兴趣吗？我国计划是在2030年前首飞，也许JF22将会让这个目标提早实现，笔者也对这架飞行器非常关心，因为它将可以让中国实现真正的高超音速全球打击，这个计划实在有些宏大（完）

参考：

https://eurasiantimes.com/30-times-faster-than-speed-of-sound-is-china-really-wining-the-hypersonic-race-with-its-jf-22-wind-tunnel/

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3135491/mach-30-wind-tunnel-put-china-decades-ahead-hypersonic-race