可复现每秒10公里的飞行条件，我国JF-22超高速风洞是如何做到的？ | 科学重器

我是中国科学院力学研究所韩桂来，目前担任风洞平台首席科学家。JF-22超高速风洞是我国的重大科研仪器，也是我们基础的研究工具。下面，我给大家关心的问题做一个科普层面的解答。

早在1946年，钱学森先生定义了“高超声速”。至今八十年，人类在这一领域已经种种尝试。本世纪注定是高超声速的世纪。

我们的目标聚焦于两大领域：一个是高超声速飞机，旨在达成1至2小时的环球旅行；另一个是空天飞行器，水平起降、两级或多级入轨，有望形成对标火箭的航天发射模式。

这些飞行器的设计都离不开风洞，在研发过程中都要进行成千上万次的“吹风”。

图：高超声速飞机，2小时全球到达，突破“时差”。

图：两级或多级入轨飞行器，水平起降代替火箭垂直发射，航天发射成本下降90%以上。

一代风洞、一代飞行器

在天空中，空气不动，飞行器迎面飞来。在地面，做一个飞行器模型，固定在风洞中，形成气流来“吹”模型，就能模拟在天上飞行。这就是风洞的原理——相对运动。

不同于普通飞行，当飞行器以高超声速飞行时，周围的空气温度就变得很高，达到几千度甚至上万度，会激发分子振动、解离甚至电离。空气不再简单，变成了极其复杂的介质，导致飞行器的设计面临意想不到的困难。

经典理论、计算机模拟以及一般性的实验无法接近真实飞行，难以获得复杂介质和现象。所以高超声速的本质困难，不仅是速度高，更是温度高导致介质复杂，颠覆了基本假设，超出了经典理论范畴。

庄逢甘院士曾说“一代风洞、一代飞行器”。风洞是飞行器的摇篮，与飞行器的发展相辅相成，既是航空航天事业的基石，更是国家战略科技实力的标志之一。

复现高超声速飞行条件“困难重重”

高超声速门槛极高，要想在地面获得接近真实飞行条件，对风洞能力、测量技术等都提出了极高的要求。

第一重困难，复现“绝对速度”。气流速度必须达到某个阈值，空气才会发生解离、电离等，从而产生高温效应，才能真正捕捉到想要的现象，这对风洞运行状态的要求非常高。

第二重困难，“精准感知”极端环境。要在极端实验条件下测量相应的数据，比如飞行器的受力、气动加热（哪里最热、热到什么程度）、光电磁传输特性等，也是极其困难的任务。

第三重困难，揭示“反常规律”、厘清“差异机理”。高速高温气流中的复杂作用导致的规律与常规条件迥异，获取数据只是基础，把里面的道理讲透彻，才是最重要的，也是最困难的。

JF-22超高速风洞

图：JF-22超高速风洞。

2023年5月，JF-22超高速风洞（全称：爆轰驱动超高速高焓激波风洞）顺利通过结题验收，位于北京怀柔科学城。风洞全长167m，能够复现40到90km高空、速度最高达10km/s的极端飞行条件，关键技术指标处于国际领先水平。为了便于理解，这里列举几个重要参数。

1、有效实验时间长。JF-22有效实验时间达到1-40ms（眨眼睛一般200ms）。这是激波风洞领域最长的，其不同运行模式对应的有效时间比同行们长几倍、甚至几十倍。

2、气流总温高。总温足够高，速度才能达到，空气的复杂反应才能发生。把空气加热到几千度已经很困难，而JF-22最高可达近20000K。

3、实验模型尺度大。JF-22超高速风洞的模型可达2-8m，很多可以做到1:1。因为很多现象和规律尺度相关，模型太小，高温效应就无法体现，导致偏差。

风洞是否先进，不是单看个别指标，而是要综合性能领先。

基于爆轰原理驱动的风洞

此前，国际主流驱动方式是机械压缩，例如自由活塞风洞、加热轻气体风洞，我们探索了一条新路，爆轰驱动，用化学能代替机械能。2016年，姜宗林研究员获得美国航空航天学会“地面试验奖”，标志着中国的爆轰驱动有了国际地位。

稍微展开一下，爆轰是燃烧的极限形式，能量释放速度极快，爆轰驱动方法的研究始于上世纪六七十年代，由俞鸿儒院士主导，并于九十年代建成国际首座氢氧爆轰驱动高焓激波风洞（JF-10）。

爆轰驱动有反向和正向两种驱动形式。反向爆轰驱动利用爆轰波尾的静止、高温高压平台作为驱动源，占爆轰波能量的10%，我们建成的JF-12复现风洞用的就是这种方式。正向爆轰利用爆轰波头的能量作为驱动源，它占爆轰波能量的90%。

但是，爆轰波头像个三角形，是个“不能用”的驱动源。2003年，姜宗林提出“激波反射型正向爆轰驱动”，通过扩容腔形成强激波反射和绕射，构造稳定的驱动源，将“不能用”转化为“能用”。

正是原理的创新，JF-22的气流速度达到3-10千米/秒，喷管的输出功率需要达到数百甚至数千兆瓦。从根本上奠定了JF-22的领先地位。

从原理提出到建成验收整整20年

有人说：科研创新就是一层窗户纸，一捅就破。我想说“窗户纸确实一捅就破，但你可能要花20年才能占领这个房间”，JF-22从原理提出到建成验收，用了整整20年。

JF-22超高速风洞是一个复杂的体系，是以原理和技术构成的综合体，我在这里只列举两个例子：

1、气动力测量。风洞实验时间短，模型在实验气流的冲击下处于小幅度振动状态。打个比方，我们去买水果，放到电子秤上，等读数稳了，一看2斤。而在激波风洞实验时间短，相当于把水果往秤上一扔，数值还在跳动，我们就能分析出1斤9两6。我们提出分立悬挂式气动力测量方法，正在向30ms时间迈进，难度急剧增加。

图：测力天平信号

2、气动加热测量。苛加热对于飞行器而言是致命的，一不小心就会像流星一样烧掉。我们研制新型的热流传感器，通过提出新型结构形式、革新加工工艺等，提升测量分辨率、频响、灵敏度等性能。3年来，在“青年交叉团队”项目的支持下，我们构造微纳结构热流传感器，灵敏度系数由60μV/K提升1个量级，达到 610μV/K。

所以说，JF-22是一个复杂的系统，这些都是团队长期积累和沉淀的结果。

钱学森、郭永怀奠定基础，四代人接力传承

1958年，钱学森、郭永怀在力学所建立“激波管组”。自此以后，俞鸿儒院士毕生坚守，研制激波管、激波风洞、爆轰驱动方法。1999年，姜宗林回国工作，2008年以来领导建成JF-12和JF-22风洞，共同构成国际唯一的复现高超声速“飞行走廊”的地面实验平台。

2010年以来，我直接参与到风洞的研制和建设，逐步成长为风洞平台的首席科学家。目前，科研团队职工人数达到30人。

六十八年来，我国走到了国际上激波管、激波风洞领域最前沿的地带。对于国际同行，我们不再仰望，因为“中国水平就代表了国际水平”。

曾有一位同事总结我们的传承过往：“创新是历史的使命，是家国的情怀；创新是向传统致敬，是深厚积淀之后的爆发；创新是个体灿烂的智慧，更是团队默默无闻的奉献；创新是殉道者般的坚持，更是春暖花开的浪漫。”

文章转载自"腾讯太空"公众号