編者按：中國科學院力學研究所的高溫氣體動力學國家重點實驗室（LHD）在國家重大科研裝備研制計劃的支持下，于2008年1月正式啟動了 “復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞” 項目。在姜宗林研究員的主持下，LHD的相關研究團隊經(jīng)過數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務。目前該風洞命名“JF12高超聲速激波風洞”，并已正式運行。本刊將陸續(xù)介紹JF12風洞研制的背景與意義，風洞原理與關鍵技術的突破，以及利用它開展國家重大項目與學科前沿研究的情況。

JF12高超聲速激波風洞（3）

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——為什么要發(fā)展爆轟驅(qū)動技術？

激波風洞的爆轟驅(qū)動技術是為了在地面模擬產(chǎn)生高超聲速流動而發(fā)展起來的一項技術。我們知道，早在1946年錢學森先生就首次提出了高超聲速（Hypersonics）這個概念。他以此來描述飛行器運動速度遠遠大于環(huán)境聲速時周圍氣體的流動狀態(tài)。在高超聲速飛行中，通過與周圍氣流產(chǎn)生劇烈的摩擦和強烈的熱交換，飛行器的部分動能被周圍的空氣吸收并轉化為其內(nèi)能，空氣的溫度大大提升。隨著溫度的升高，空氣介質(zhì)將發(fā)生一系列的微觀變化：分子的振動與轉動能態(tài)激發(fā)，分子發(fā)生解離、復合及電離。這些介質(zhì)物性的微觀差異會導致流動宏觀特性的巨大差異。具體而言，由于這種熱化學反應，飛行器周圍空氣（從頭部駐點到下游尾跡）便成為復雜介質(zhì)，而且介質(zhì)的性質(zhì)會隨著當?shù)販囟鹊淖兓兓Ｔ谶@種情況下，空氣的粘性、導熱系數(shù)等均和相應的常溫值有所不同，從而造成了飛行器的熱交換特性、氣動力/氣動熱特性都會出現(xiàn)不同程度的變化。與發(fā)展一般的飛機、火箭、導彈一樣，研發(fā)高超聲速飛行器首先遇到的關鍵問題是：如何建立地面模擬實驗裝置？ 如何在地面實驗裝置上真實地再現(xiàn)模擬飛行器周圍發(fā)生的熱化學反應過程？
如前所說，高超聲速風洞雖然經(jīng)過了50多年的持續(xù)發(fā)展，到目前為止，適合于進行高溫熱化學反應流動模擬的主要實驗設備仍然是激波風洞。為了提高試驗氣流的焓值，國外先后研發(fā)了自由活塞驅(qū)動技術和加熱輕氣體驅(qū)動方式，而我們中國的科學家則獨創(chuàng)了爆轟驅(qū)動方式并成功地應用于激波風洞。圖1是爆轟驅(qū)動原理的示意。我們已經(jīng)知道，常規(guī)激波風洞的運行模式是：在驅(qū)動段中充放高壓空氣，待壓力高至某個設定值時，氣體沖破主膜片，進入被驅(qū)動段，在低壓氣體中形成激波，該激波不僅提升了波陣面后方氣體的壓力與溫度，而且還導致了氣體高速運動。我們從圖1中可以看到：在氫氧爆轟驅(qū)動高焓激波風洞中，采用按一定比例混合的氫氣和氧氣作為爆轟氣體放置在驅(qū)動段中（此時亦可稱之為“爆轟驅(qū)動段”，或簡稱為“爆轟段”），啟動時在主膜片附近點火，這樣就導致氫氧混合物起爆，這樣除了在被驅(qū)動段的空氣中產(chǎn)生一個向下游傳播的主激波外，還會在爆轟氣體中再形成一個向上游傳播的爆轟波。為了確保風洞的安全運行，在爆轟段的上游要加設一個卸爆段。當然，爆轟氣體不一定非要采用氫氧混合氣體，力學所研究人員亦使用乙炔和空氣的混合物做過實驗，并獲得了很好的結果。

？ ？ ？ ？ ？圖1？ 氫氧爆轟驅(qū)動原理的示意

？爆轟驅(qū)動激波管的概念是伯德（Bird）在1957年首先提出的，力學研究所從上世紀80年代初開始探索這項技術。1981年，俞鴻儒先生建立了一個13.3米長的氫氧爆轟驅(qū)動激波管，并從該激波管1983年投入使用后便開始了氫氧爆轟驅(qū)動方法的系統(tǒng)研究，先后提出了反向爆轟驅(qū)動模式，發(fā)展了卸爆技術。在此基礎上，在JF8激波風洞上進行了氫氧爆轟試驗并成功地產(chǎn)生了高品質(zhì)的高溫高壓驅(qū)動氣源。隨后，又于1990年建立了BBF100爆轟實驗管，開展了反向爆轟驅(qū)動激波管性能的研究，解決了立即起爆、高反射峰壓、高初始壓均勻混合等問題。1996年，他主持將JF4B激波風洞/炮風洞改造成為JF10爆轟驅(qū)動高焓激波風洞（參見圖2和3）。其實，爆轟驅(qū)動有正向和反向兩種運行模式，它們各自具有不同的驅(qū)動特點，JF10既可以運行于反向驅(qū)動模式也可以運行在正向驅(qū)動模式。圖4和5給出了這兩種驅(qū)動模式下激波管的運行波圖。

圖2？ JF10爆轟驅(qū)動激波風洞照片（黃色部分為實驗段和真空罐）

圖3？ JF10爆轟驅(qū)動激波風洞總體結構示意

？ ？ ？圖4 ？反向爆轟驅(qū)動運行波系圖

圖5？ 正向爆轟驅(qū)動運行波系圖

？一般而言，應用反向爆轟驅(qū)動模式，可以獲得較長的試驗時間但實驗氣流的焓值較低；應用正向爆轟驅(qū)動模式，可以獲得高焓值的實驗氣流但試驗時間較短。為了改善正向爆轟驅(qū)動技術的性能，姜宗林研究員基于激波非定常反射原理，研發(fā)了一個具有附加擴容腔的正向爆轟驅(qū)動器（FDC Driver），對JF10進行了改造（參見圖6）。新型的FDC驅(qū)動器比原來的驅(qū)動器縮短了將近2米。這不僅可以有效地降低運行費用，而且可以減輕噴管喉道的燒蝕損耗。此外，在俞鴻儒的指導下，LHD研究團隊還發(fā)展了模擬動活塞效應的雙爆轟驅(qū)動技術、具有模擬低端高焓流動的反向爆轟膨脹驅(qū)動技術，等等。對于爆轟驅(qū)動技術細節(jié)感興趣的讀者，可以參閱姜宗林、趙偉等人在《空氣動力學學報》第27卷增刊上發(fā)表的綜述文章：（1）超高速高焓流動研究進展（pp13-20）；（2）高焓激波風洞爆轟技術研究（pp63-68）。

圖6？ 改造前后的JF10激波風洞的結構示意

？正是經(jīng)過十數(shù)年的持續(xù)努力，積累了系列的爆轟驅(qū)動技術，使得LHD的高超聲速高焓流動實驗平臺具備了強大的模擬能力：總溫范圍1000~8000K，總壓范圍1~80MPa，飛行速度1500~6000 m/s，最高雷諾數(shù)可達約4 10⁸/m。這樣，就為開展高超聲速的氣動力/氣動熱、真實氣體效應、氣動物理等前沿問題創(chuàng)造了條件，同時也為開展吸氣式高超聲速推進技術、飛行器/發(fā)動機一體化等氣動實驗奠定了基礎。為了研制JF12風洞，復現(xiàn)并涵蓋高度為25~50公里、馬赫數(shù)為5~9的真實飛行條件，LHD研究團隊在控制總溫不變的前提下，提高驅(qū)動氣體總壓，以拓展試驗能力范圍。他們通過調(diào)整爆轟氣體的成分和配比以及調(diào)整氣流速度等途徑，使驅(qū)動壓力提高了40%，從而適應了上述馬赫數(shù)要求。這樣，JF12風洞的驅(qū)動能力與空天飛機的飛行走廊也相匹配了（參見表1和圖7）。

飛行高度/km	實驗段馬赫數(shù)M∞	主激波馬赫數(shù)Ms	總溫T0/K	總壓P0/MPa	試驗時間 t/ms
29	5.5	3.3	1490	1.2	226
34	6.5	4.0	1990	2.2	130
27	6.5	4.0	2030	6.5	132
38	7.4	4.6	2480	3.1	135
40	8.0	5.1	2870	3.6	129
52	9.0	6.4	3520	3.0	120

表1？ JF12激波風洞驅(qū)動能力評估

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圖7？ JF12激波風洞驅(qū)動能力與空天飛行器飛行走廊 （圖中紅色三角表示JF12的模擬能力）

？通過上述介紹，我們知道，爆轟驅(qū)動的實質(zhì)是以化學能代替機械能，利用爆轟燃燒提供風洞運行所需的高功率，并且以爆轟波后的平穩(wěn)高壓提供穩(wěn)定的試驗條件。表2給出中國JF12風洞和美國LENS風洞在每次運行期間氫氣消耗量的比較。在產(chǎn)生同樣的5兆帕駐室壓力的情況下，LENS每次運行所消耗的氫氣是JF12的20多倍。加之使用大量氫氣，成本昂貴，其儲存、加熱和排放又極具危險性，這使得輕氣體驅(qū)動的應用與擴展具有很大局限性。更重要的是，LENS的試驗時間只有18～30毫秒，遠遠低于JF12的100毫秒。因而，和輕氣體加熱驅(qū)動相比，爆轟驅(qū)動具有很大的優(yōu)勢，其應用具有很好的擴展性。

驅(qū)動方式	駐室壓力	氫氣消耗量
		質(zhì)量	瓶數(shù)
爆轟驅(qū)動（JF12，China）	5 MPa	7 kg	18
輕氣體驅(qū)動（LENS，USA）	5 MPa	152 kg	380

表2？ 中國JF12風洞和美國LENS風洞的氫氣消耗量比較

？正因為爆轟驅(qū)動技術的優(yōu)勢，自JF10氫氧爆轟驅(qū)動高焓激波風洞建成之時，便引起國際航空航天界的關注。1993年，在俞鴻儒的幫助下，德國亞琛工業(yè)大學建造了應用反向爆轟驅(qū)動技術的高焓激波風洞TH2D。1994年，美國NASA修改原來的自由活塞驅(qū)動設計方案，在通用應用科學實驗室（General Applied Science Laboratory，縮寫簡稱為GASL）建成了正向爆轟驅(qū)動高焓激波風洞HYPULSE。這里要指出的是，GASL在國際航天工程界是一個相當著名的單位，馮 卡門是其成立初期的主要研究成員之一，近年來該實驗室參與了美國空天飛機計劃（如X-30和 X-43等），是高超聲速推進的開拓者。所以，我們可以說，由中國科學院力學研究所LHD的俞鴻儒院士獨創(chuàng)的爆轟驅(qū)動技術，在國際上達到了領先地位，目前已經(jīng)成為高焓激波風洞的一個重要驅(qū)動方式。

（王柏懿撰文）