編者按：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LHD）在國(guó)家重大科研裝備研制計(jì)劃的支持下，于2008年1月正式啟動(dòng)了 “復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞” 項(xiàng)目。在姜宗林研究員的主持下，LHD的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務(wù)。目前該風(fēng)洞命名“JF12高超聲速激波風(fēng)洞”，并已正式運(yùn)行。本刊將陸續(xù)介紹JF12風(fēng)洞研制的背景與意義，風(fēng)洞原理與關(guān)鍵技術(shù)的突破，以及利用它開(kāi)展國(guó)家重大項(xiàng)目與學(xué)科前沿研究的情況。

JF12高超聲速激波風(fēng)洞（3）

——為什么要發(fā)展爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)？

激波風(fēng)洞的爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)是為了在地面模擬產(chǎn)生高超聲速流動(dòng)而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)。我們知道，早在1946年錢學(xué)森先生就首次提出了高超聲速（Hypersonics）這個(gè)概念。他以此來(lái)描述飛行器運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境聲速時(shí)周圍氣體的流動(dòng)狀態(tài)。在高超聲速飛行中，通過(guò)與周圍氣流產(chǎn)生劇烈的摩擦和強(qiáng)烈的熱交換，飛行器的部分動(dòng)能被周圍的空氣吸收并轉(zhuǎn)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(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)激發(fā)，分子發(fā)生解離、復(fù)合及電離。這些介質(zhì)物性的微觀差異會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)宏觀特性的巨大差異。具體而言，由于這種熱化學(xué)反應(yīng)，飛行器周圍空氣（從頭部駐點(diǎn)到下游尾跡）便成為復(fù)雜介質(zhì)，而且介質(zhì)的性質(zhì)會(huì)隨著當(dāng)?shù)販囟鹊淖兓兓?。在這種情況下，空氣的粘性、導(dǎo)熱系數(shù)等均和相應(yīng)的常溫值有所不同，從而造成了飛行器的熱交換特性、氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱特性都會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化。與發(fā)展一般的飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈一樣，研發(fā)高超聲速飛行器首先遇到的關(guān)鍵問(wèn)題是：如何建立地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置？ 如何在地面實(shí)驗(yàn)裝置上真實(shí)地再現(xiàn)模擬飛行器周圍發(fā)生的熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程？
如前所說(shuō)，高超聲速風(fēng)洞雖然經(jīng)過(guò)了50多年的持續(xù)發(fā)展，到目前為止，適合于進(jìn)行高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)流動(dòng)模擬的主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備仍然是激波風(fēng)洞。為了提高試驗(yàn)氣流的焓值，國(guó)外先后研發(fā)了自由活塞驅(qū)動(dòng)技術(shù)和加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)方式，而我們中國(guó)的科學(xué)家則獨(dú)創(chuàng)了爆轟驅(qū)動(dòng)方式并成功地應(yīng)用于激波風(fēng)洞。圖1是爆轟驅(qū)動(dòng)原理的示意。我們已經(jīng)知道，常規(guī)激波風(fēng)洞的運(yùn)行模式是：在驅(qū)動(dòng)段中充放高壓空氣，待壓力高至某個(gè)設(shè)定值時(shí)，氣體沖破主膜片，進(jìn)入被驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致了氣體高速運(yùn)動(dòng)。我們從圖1中可以看到：在氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)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(dòng)段中（此時(shí)亦可稱之為“爆轟驅(qū)動(dòng)段”，或簡(jiǎn)稱為“爆轟段”），啟動(dòng)時(shí)在主膜片附近點(diǎn)火，這樣就導(dǎo)致氫氧混合物起爆，這樣除了在被驅(qū)動(dòng)段的空氣中產(chǎn)生一個(gè)向下游傳播的主激波外，還會(huì)在爆轟氣體中再形成一個(gè)向上游傳播的爆轟波。為了確保風(fēng)洞的安全運(yùn)行，在爆轟段的上游要加設(shè)一個(gè)卸爆段。當(dāng)然，爆轟氣體不一定非要采用氫氧混合氣體，力學(xué)所研究人員亦使用乙炔和空氣的混合物做過(guò)實(shí)驗(yàn)，并獲得了很好的結(jié)果。
爆轟驅(qū)動(dòng)激波管的概念是伯德（Bird）在1957年首先提出的，力學(xué)研究所從上世紀(jì)80年代初開(kāi)始探索這項(xiàng)技術(shù)。1981年，俞鴻儒先生建立了一個(gè)13.3米長(zhǎng)的氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)激波管，并從該激波管1983年投入使用后便開(kāi)始了氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)方法的系統(tǒng)研究，先后提出了反向爆轟驅(qū)動(dòng)模式，發(fā)展了卸爆技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，在JF8激波風(fēng)洞上進(jìn)行了氫氧爆轟試驗(yàn)并成功地產(chǎn)生了高品質(zhì)的高溫高壓驅(qū)動(dòng)氣源。隨后，又于1990年建立了BBF100爆轟實(shí)驗(yàn)管，開(kāi)展了反向爆轟驅(qū)動(dòng)激波管性能的研究，解決了立即起爆、高反射峰壓、高初始?jí)壕鶆蚧旌系葐?wèn)題。1996年，他主持將JF4B激波風(fēng)洞/炮風(fēng)洞改造成為JF10爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞（參見(jiàn)圖2和3）。其實(shí)，爆轟驅(qū)動(dòng)有正向和反向兩種運(yùn)行模式，它們各自具有不同的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，JF10既可以運(yùn)行于反向驅(qū)動(dòng)模式也可以運(yùn)行在正向驅(qū)動(dòng)模式。圖4和5給出了這兩種驅(qū)動(dòng)模式下激波管的運(yùn)行波圖。
一般而言，應(yīng)用反向爆轟驅(qū)動(dòng)模式，可以獲得較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間但實(shí)驗(yàn)氣流的焓值較低；應(yīng)用正向爆轟驅(qū)動(dòng)模式，可以獲得高焓值的實(shí)驗(yàn)氣流但試驗(yàn)時(shí)間較短。為了改善正向爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)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(gè)具有附加擴(kuò)容腔的正向爆轟驅(qū)動(dòng)器（FDC Driver），對(duì)JF10進(jìn)行了改造（參見(jiàn)圖6）。新型的FDC驅(qū)動(dòng)器比原來(lái)的驅(qū)動(dòng)器縮短了將近2米。這不僅可以有效地降低運(yùn)行費(fèi)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(dǎo)下，LHD研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)展了模擬動(dòng)活塞效應(yīng)的雙爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)、具有模擬低端高焓流動(dòng)的反向爆轟膨脹驅(qū)動(dòng)技術(shù)，等等。對(duì)于爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)細(xì)節(jié)感興趣的讀者，可以參閱姜宗林、趙偉等人在《空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)》第27卷增刊上發(fā)表的綜述文章：（1）超高速高焓流動(dòng)研究進(jìn)展（pp13-20）；（2）高焓激波風(fēng)洞爆轟技術(shù)研究（pp63-68）。
正是經(jīng)過(guò)十?dāng)?shù)年的持續(xù)努力，積累了系列的爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使得LHD的高超聲速高焓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備了強(qiáng)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(dá)約4 10⁸/m。這樣，就為開(kāi)展高超聲速的氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱、真實(shí)氣體效應(yīng)、氣動(dòng)物理等前沿問(wèn)題創(chuàng)造了條件，同時(shí)也為開(kāi)展吸氣式高超聲速推進(jìn)技術(shù)、飛行器/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化等氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。為了研制JF12風(fēng)洞，復(fù)現(xiàn)并涵蓋高度為25~50公里、馬赫數(shù)為5~9的真實(shí)飛行條件，LHD研究團(tuán)隊(duì)在控制總溫不變的前提下，提高驅(qū)動(dòng)氣體總壓，以拓展試驗(yàn)?zāi)芰Ψ秶?。他們通過(guò)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(dòng)壓力提高了40%，從而適應(yīng)了上述馬赫數(shù)要求。這樣，JF12風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)能力與空天飛機(jī)的飛行走廊也相匹配了（參見(jiàn)表1和圖7）。
通過(guò)上述介紹，我們知道，爆轟驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是以化學(xué)能代替機(jī)械能，利用爆轟燃燒提供風(fēng)洞運(yùn)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(yàn)條件。表2給出中國(guó)JF12風(fēng)洞和美國(guó)LENS風(fēng)洞在每次運(yùn)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(yùn)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(chǔ)存、加熱和排放又極具危險(xiǎn)性，這使得輕氣體驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用與擴(kuò)展具有很大局限性。更重要的是，LENS的試驗(yàn)時(shí)間只有18～30毫秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于JF12的100毫秒。因而，和輕氣體加熱驅(qū)動(dòng)相比，爆轟驅(qū)動(dòng)具有很大的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用具有很好的擴(kuò)展性。
正因?yàn)楸Z驅(qū)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，自JF10氫氧爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞建成之時(shí)，便引起國(guó)際航空航天界的關(guān)注。1993年，在俞鴻儒的幫助下，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)建造了應(yīng)用反向爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高焓激波風(fēng)洞TH2D。1994年，美國(guó)NASA修改原來(lái)的自由活塞驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，在通用應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（General Applied Science Laboratory，縮寫簡(jiǎn)稱為GASL）建成了正向爆轟驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞HYPULSE。這里要指出的是，GASL在國(guó)際航天工程界是一個(gè)相當(dāng)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(lái)該實(shí)驗(yàn)室參與了美國(guó)空天飛機(jī)計(jì)劃（如X-30和 X-43等），是高超聲速推進(jìn)的開(kāi)拓者。所以，我們可以說(shuō)，由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所LHD的俞鴻儒院士獨(dú)創(chuàng)的爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在國(guó)際上達(dá)到了領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)成為高焓激波風(fēng)洞的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)方式。

（王柏懿撰文）