高超音速風(fēng)洞：先進(jìn)飛行器“搖籃”

高超音速風(fēng)洞：先進(jìn)飛行器“搖籃”

■岡敦殿

風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)于飛行器的研制至關(guān)重要，可以說風(fēng)洞是各類飛行器的“搖籃”。高超音速飛行器的飛行速度超過5馬赫，突防能力強(qiáng)，被稱為“大國(guó)利器”。要設(shè)計(jì)高超音速飛行器，需要?dú)鈩?dòng)力、氣動(dòng)熱等關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為支撐，風(fēng)洞試驗(yàn)就是這些數(shù)據(jù)的主要來源。

美國(guó)國(guó)家航空航天局下屬格倫研究中心的高超音速風(fēng)洞。

2024年11月，美國(guó)圣母大學(xué)宣稱“研制出國(guó)際首座氣流速度超過10馬赫的靜音風(fēng)洞，將用于支撐美國(guó)高超音速飛行器等先進(jìn)武器裝備研究”，并舉行設(shè)備啟動(dòng)儀式。據(jù)悉，該風(fēng)洞的研制獲得了美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)空軍的支持。

大國(guó)競(jìng)相研發(fā)

風(fēng)洞是依據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理和一定的相似準(zhǔn)則，在地面以人工方式制造高速氣流，使其流過飛行器模型，據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試的管道狀設(shè)備。風(fēng)洞種類繁多，按照不同氣流流向、氣流速度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、功能用途和形狀尺寸等，可以分為不同類型。其中，根據(jù)試驗(yàn)段氣流速度（馬赫數(shù)）范圍劃分風(fēng)洞，馬赫數(shù)小于0.3的風(fēng)洞為低速風(fēng)洞；大于0.3小于0.8的為亞音速風(fēng)洞；大于0.8小于1.2的為跨音速風(fēng)洞；大于1.2小于5的為超音速風(fēng)洞；大于5的為高超音速風(fēng)洞。

高超音速風(fēng)洞專門用于模擬高超音速飛行條件，對(duì)航天飛行器、中程彈道導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等高超音速飛行器進(jìn)行測(cè)試，確保后者在實(shí)際使用中具備較高的可靠性和優(yōu)良性能。按照運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)不同，高超音速風(fēng)洞又分為脈沖式和暫沖式兩種，脈沖式風(fēng)洞的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)一般為毫秒量級(jí)，暫沖式風(fēng)洞的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)在數(shù)秒至數(shù)十分鐘。另外，高超音速風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)需要通過一定途徑使氣體溫度升高，確保氣流在試驗(yàn)段不會(huì)發(fā)生冷凝。通常，高溫高壓氣體經(jīng)過收縮擴(kuò)張型噴管膨脹加速到高超音速。

從發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、研究流動(dòng)機(jī)理，到提供飛行器設(shè)計(jì)所需的氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱等數(shù)據(jù)，高超音速風(fēng)洞試驗(yàn)至關(guān)重要，一些國(guó)家為此建立了多型高超音速風(fēng)洞設(shè)備。

美國(guó)是當(dāng)今世界上擁有高超音速風(fēng)洞最多的國(guó)家之一，美國(guó)國(guó)家航空航天局下屬機(jī)構(gòu)、國(guó)防部下屬機(jī)構(gòu)和一些商業(yè)機(jī)構(gòu)都建有數(shù)量眾多的高超音速風(fēng)洞。在過去60多年間，美國(guó)高超音速風(fēng)洞在其高超音速計(jì)劃中發(fā)揮了重要作用。例如，美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)劃先后進(jìn)行了700多項(xiàng)地面模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)達(dá)7萬多小時(shí)；X-43A、X-51A等高超音速驗(yàn)證機(jī)試飛也與大量地面試驗(yàn)密不可分。俄羅斯也建有多型風(fēng)洞設(shè)備，主要集中在俄羅斯中央流體動(dòng)力研究院、中央機(jī)械研究院等單位。

幾處典型風(fēng)洞

美國(guó)空軍阿諾德工程發(fā)展中心9號(hào)風(fēng)洞，主要用于臨近空間高超音速飛行器和跨大氣層飛行器的氣動(dòng)力地面試驗(yàn)。其氣流速度在6至14馬赫之間，噴管口徑1.5米，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為0.5至15秒，2016年升級(jí)改造后氣流速度可達(dá)18馬赫。美國(guó)航空航天局下屬格倫研究中心的HTF高超音速風(fēng)洞，能夠模擬5至7馬赫的高超音速氣流。

日本國(guó)家航天實(shí)驗(yàn)中心（角田）HIEST風(fēng)洞是一座激波風(fēng)洞，具備噴管口徑大、試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。該風(fēng)洞的最高總壓達(dá)150兆帕，噴管口徑0.8米，穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)在2毫秒以上，可模擬的氣流速度范圍為8至16馬赫。

俄羅斯中央機(jī)械研究院U-12風(fēng)洞，可模擬的氣流速度為2至20馬赫，可按照常規(guī)激波管方式運(yùn)行，在激波管中產(chǎn)生強(qiáng)激波，強(qiáng)激波將試驗(yàn)氣體加熱到高溫狀態(tài)，也可按照下吹風(fēng)洞方式運(yùn)行，但試驗(yàn)時(shí)間較短。

未來發(fā)展趨勢(shì)

隨著航空航天、軍事等領(lǐng)域?qū)Ω叱羲亠w行器的性能要求不斷提高，高超音速風(fēng)洞的技術(shù)指標(biāo)也不斷提升。這包括提高風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)段馬赫數(shù)范圍、氣流溫度和壓力等參數(shù)，以模擬更為真實(shí)的高超音速飛行環(huán)境。同時(shí)，這也對(duì)風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)、測(cè)量精度等提出更高要求，以滿足更精確的實(shí)驗(yàn)需求。

從目前的技術(shù)發(fā)展看，靜音風(fēng)洞是未來高超音速風(fēng)洞的發(fā)展趨勢(shì)之一。靜音風(fēng)洞能夠模擬出逼真的高超音速飛行環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。不過，靜音風(fēng)洞的發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)，包括高昂的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用、技術(shù)難題等。各航空航天大國(guó)都將靜音風(fēng)洞列為重要發(fā)展方向之一，美國(guó)圣母大學(xué)風(fēng)洞即為一型靜音風(fēng)洞。