在中美博弈不断升温的这些年,美国智库和军方对中国某些前沿领域的关注度远远超过外界想象。有别于常常见诸报端的芯片、稀土话题,一项在普通人眼里颇为陌生的地面实验装置,才是让部分美国专家真正睡不着觉的东西。这就是被业界称作"新一代飞行器摇篮"的高超声速风洞。中国不但把这项技术做到了世界前列,接下来还准备继续往前推。
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2023年5月30日,国家自然科学基金委员会在中国科学院力学研究所怀柔园区,组织召开了国家重大科研仪器研制项目"爆轰驱动超高速高焓激波风洞"的结题验收会议。这个拗口的名字,业内更习惯用它的代号来称呼,JF-22。
它的性能指标一经披露,便在国际航空航天圈引起不小的震动。JF-22全长167米,喷管出口直径2.5米,实验舱直径4米,实验气流速度范围3至10千米每秒,可以复现40到90千米高空、最高每秒10千米的飞行条件,相当于约30倍声速。若把这个速度换算成日常概念,理论上从中国东部飞抵北美西海岸只需十几分钟。
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美方专家对此的反应可以说是五味杂陈。JF-22似乎是首个能够模拟马赫30环境的风洞,把美国目前最先进的LENS II远远抛在了后面,后者最高只能达到马赫7;同时,JF-22平均运行时间可达130毫秒,而LENS II大约只有30毫秒。作为参照,美国国家航空航天局兰利研究中心的马赫10风洞,其试验段直径仅接近0.8米。规模差、速度差、时长差,任何一项摆出来都是硬指标。
也有美国学者试图冷静看待。美国得克萨斯大学圣安东尼奥分校空气动力学副教授克里斯·库姆斯就对相关媒体表示,全球范围内已有多座运行数十年的设施能够达到马赫20以上的速度;他还认为马赫30这样的速度通常只在飞行器从月球或火星返回时才会遇到,同时他对爆轰驱动激波管改变空气化学成分、影响气动数据代表性的问题也提出了质疑。
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即便如此,警觉声在美国官方层面并没有减弱。美国国防情报局科技首席科学家保罗·弗赖斯特勒2023年3月在国会听证会上表示,中国和俄罗斯都进行了大量成功的高超声速武器试验并可能已经列装了作战系统,而中国在配套基础设施与系统数量上都领先于俄罗斯;他还指出,过去二十年间中国通过密集且集中的投资、研发、测试与部署,把常规和核武化的高超声速导弹技术推进到了新的高度。
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外界看到的是一台超大号的钢铁装置,圈内人看到的是背后二十多年不间断的攻关。
风洞的核心在于把飞行器"请进"地面实验室,通过高速气流模拟真实飞行环境,从而拿到最关键的气动数据。全球主流风洞多数依赖机械压缩机产生高速气流。JF-22与其他国家的同类设施截然不同,它采用化学爆轰的方式产生高超声速条件,燃料燃烧速率大约比普通煤气灶快一亿倍,从而生成与飞行器高空高速飞行时相似的激波。这条另辟蹊径的技术路线,正是中国团队独有的选择。
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在此之前,中国已经在这一方向拿出过一件叫得响的作品。早在2012年,中国就研制成功了JF-12复现风洞,总长265米,是当时国际上规模最大、整体性能最先进的激波风洞。姜宗林介绍,JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞可分别实现每秒1.5至3千米以及每秒3至10千米的实验条件,共同构成覆盖马赫数5至25、飞行高度25至90千米的气动实验平台。这两座设施让中国成为高超声速领域唯一具备覆盖全部"飞行走廊"实验能力的国家。
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一次成功验收的背后,是一整个体系的建成。2018年全国力学大会上,中国科学院院士杨卫透露,正在建设中的JF-22超高速风洞将为更高速的飞行奠定实验基础;在国家重大科研仪器研制项目的支持下,激波风洞团队于2021年底完成安装并进入性能调试阶段,2022年4月15日JF-22完成首次运行实验。从提出概念、通过论证、动工建造,到调试验收,几乎每一个环节都不能出差错。
对研发团队而言,验收只是新的起点。JF-22建成的最终意义,并不仅仅是一堆刷新纪录的参数。
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中科院力学所在相关表态中指出,JF-22超高速风洞与此前的JF-12复现风洞组合起来,已成为唯一能够覆盖临近空间飞行器全部飞行区间的地面实验平台。姜宗林曾指出,高超声速飞行器能够在马赫5到10的速度下抵达全球任何地点,只需一到两个小时,而空天飞机的应用则有望把卫星和航天器的发射成本压低约90%。这句话包含的信息,既有军事层面的震慑,也有商业航天的想象空间。
中国科学院力学研究所研究员、怀柔激波风洞现场负责人韩桂来透露,团队正在研究两级或者多级入轨飞行器的分离方案;有别于传统火箭垂直起飞的模式,新的飞行器可以水平起降,在大约30至40千米的高度释放二级,继续向上飞行,形成接力模式。这一方向如果做通,将直接改变现有航天发射的经济学逻辑。
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回到那句流传颇广的评价:中国本身并不可怕,可怕的是中国的耐心。风洞不是能一夜之间造出来的东西,也不是能靠采购解决的东西。它需要一个国家在基础力学、材料工程、精密制造、控制系统等多个方向上,长期不间断投入。JF-12和JF-22之所以让美方专家坐不住,本质上是因为它们背后所代表的那种"二十年磨一剑"的做事方式,正在把中国航空航天的地基一层层夯实。也正因如此,"领先世界还将再突破"这句话,并非一句空洞的口号,而是有清晰技术路径与官方研究项目在背后支撑的判断。
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参考资料
中国科学院力学研究所:《爆轰驱动超高速高焓激波风洞通过国家自然科学基金委验收》,2023年6月发布。
姜宗林等:《JF-22超高速风洞理论基础与关键技术》,《航空学报》2025年第46卷第5期,531130。
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