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)過數(shù)年的努力，在2012年完成了研制任務(wù)。目前該風(fēng)洞被命名為“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，以及利用它所開展的國(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（2）

需要建什么樣的風(fēng)洞

眾所周知，風(fēng)洞是一種氣動(dòng)力學(xué)的地面試驗(yàn)設(shè)備，它采用“人造氣流+固定模型”的方式進(jìn)行各種事先已經(jīng)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)，以研究飛行器運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)效應(yīng)。具體而言，它一般采用動(dòng)力裝置在管道中驅(qū)動(dòng)一股可控氣流，使其流過固定在管道內(nèi)的靜止模型（放置模型的部位，一般稱之為“實(shí)驗(yàn)段”），以此來模擬實(shí)物（例如飛行器）在靜止大氣中的運(yùn)動(dòng)；在模擬試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者將測(cè)量氣流作用在模型上的氣動(dòng)性能（可以根據(jù)要求進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)、測(cè)壓試驗(yàn)、傳熱試驗(yàn)、振動(dòng)與穩(wěn)定性試驗(yàn)等等），或者觀測(cè)模型周圍的流動(dòng)現(xiàn)象；然后再依據(jù)相似理論將由模型所得到的試驗(yàn)結(jié)果整理為可用于實(shí)物的無量綱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)段是風(fēng)洞的核心部件，其中的氣流品質(zhì)（如均勻度、穩(wěn)定性、湍流度等）必須達(dá)到一定的指標(biāo)。圖1展示了放置著飛機(jī)模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段的內(nèi)部景象。
按照實(shí)驗(yàn)段氣流的速度，風(fēng)洞可分為低速風(fēng)洞（馬赫數(shù)小于0.3）、亞聲速風(fēng)洞（馬赫數(shù)在0.3到0.8之間）、跨聲速風(fēng)洞（馬赫數(shù)在0.8到1.2之間）、超聲速風(fēng)洞（馬赫數(shù)在1.5到5.0之間）和高超聲速風(fēng)洞（馬赫數(shù)大于5.0）幾種類型。圖2、圖3是不同風(fēng)洞主體的結(jié)構(gòu)示意圖。按照運(yùn)行方式，風(fēng)洞可分為暫沖式風(fēng)洞（圖4）和連續(xù)式風(fēng)洞（圖5）兩種類型，前者為短時(shí)間工作的風(fēng)洞，后者可以長(zhǎng)時(shí)間工作，而圖6則是一座連續(xù)式風(fēng)洞的外景照片。
當(dāng)然，建造風(fēng)洞（特別是大型風(fēng)洞）是相當(dāng)浩大的工程，它們的運(yùn)行和維護(hù)也要耗費(fèi)相當(dāng)龐大的資源。下面給出兩種風(fēng)洞的實(shí)際布局圖，以期讓大家對(duì)風(fēng)洞的規(guī)模有一些概念，它們分別是三聲速風(fēng)洞（參見圖6）和暫沖式高超聲速風(fēng)洞（參見圖7）

風(fēng)洞試驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是：試驗(yàn)條件易于控制，流動(dòng)參數(shù)可以獨(dú)立改變，對(duì)靜止模型的測(cè)量方便而準(zhǔn)確，試驗(yàn)不受大氣環(huán)境變化的影響，與飛行試驗(yàn)等其它氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)相比更為價(jià)廉可靠。風(fēng)洞試驗(yàn)的缺點(diǎn)是：存在氣流邊界和模型支架的影響，難以滿足全部的相似準(zhǔn)則。上述第一個(gè)問題可以通過數(shù)據(jù)修正等方法來克服，而第二個(gè)問題則是一百多年來實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)力學(xué)家矢志努力的一個(gè)研究方向。
世界上第一座風(fēng)洞是韋納姆和布朗寧于1871年在英國(guó)建造的，它是一個(gè)兩端開口的木箱，截面為45.7厘米 45.7厘米，長(zhǎng)3.05米。美國(guó)的萊特兄弟在他們成功地進(jìn)行世界上第一次動(dòng)力飛行之前，于1900年建造了一個(gè)截面為40.6厘米 40.6厘米、長(zhǎng)1.8米的風(fēng)洞，它的來流速度為40～56.3千米/小時(shí)。此后，許多國(guó)家相繼建造了不少較大尺寸的低速風(fēng)洞，美國(guó)航天局（NASA）的埃姆斯研究中心（Ames）有一座全尺寸低速風(fēng)洞，其最大實(shí)驗(yàn)段截面的尺寸為24.4米 36.6米。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，除了尺寸增大外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的氣流速度也在不斷增加，1905年世界第一座超聲速風(fēng)洞在德國(guó)建立，其實(shí)驗(yàn)馬赫數(shù)可達(dá)1.5。1945年德國(guó)已擁有實(shí)驗(yàn)段直徑約1米的超聲速風(fēng)洞。到了上世紀(jì)50年代，美國(guó)建成的超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面的尺寸已達(dá)4.88米 4.88米。第二次世界大戰(zhàn)期間，為了研究火箭導(dǎo)彈，德國(guó)開始建造高超聲速風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段尺寸為1米 1米，馬赫數(shù)上限為10，但它是暫沖式的，不能連續(xù)運(yùn)行。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，這座風(fēng)洞被美國(guó)繳獲，美國(guó)仿制并作了適當(dāng)修改后，一直到1961年才在阿諾德工程研究中心（AEDC）建成了最高馬赫數(shù)為12的高超聲速風(fēng)洞。
這里需要提及的另一類風(fēng)洞是激波風(fēng)洞，它是由一個(gè)激波管和連接在其后面的噴管等風(fēng)洞主要部件組成的。和普通的高超聲速風(fēng)洞相比，激波風(fēng)洞不僅能提供高速實(shí)驗(yàn)氣流，而且可以使實(shí)驗(yàn)氣流的溫度提高。按照氣動(dòng)力學(xué)的術(shù)語(yǔ)，也可以說，實(shí)驗(yàn)氣流的“焓值”很高，所以激波風(fēng)洞是一種高焓高速的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，它還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行成本相對(duì)低廉。目前，激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確立為一種標(biāo)準(zhǔn)的高超聲速實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在其中開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常是傳熱、壓力、氣動(dòng)力測(cè)量和流場(chǎng)顯示，特殊的測(cè)量項(xiàng)目則有電子密度測(cè)量等。
大家知道，激波（也稱“沖擊波”）是氣體、液體或者固體介質(zhì)中的壓力、密度或溫度在波陣面上發(fā)生突躍變化的壓縮波，在超聲速流動(dòng)、爆炸等過程中都會(huì)出現(xiàn)激波。激波管則是產(chǎn)生激波并利用激波壓縮實(shí)驗(yàn)氣體以模擬所要求的工作條件的一種實(shí)驗(yàn)裝置。它通常是一根兩端封閉的柱形長(zhǎng)管，中間有一個(gè)膜片把長(zhǎng)管隔成兩段，分別充以能滿足實(shí)驗(yàn)?zāi)M要求的高壓驅(qū)動(dòng)氣體（此段稱作“驅(qū)動(dòng)段”）和低壓被驅(qū)動(dòng)（實(shí)驗(yàn)）氣體（此段稱作“被驅(qū)動(dòng)段”）。膜片在高壓作用下破裂后，驅(qū)動(dòng)氣體膨脹，產(chǎn)生向被驅(qū)動(dòng)氣體中快速運(yùn)動(dòng)的激波（或者稱“主激波”），同時(shí)產(chǎn)生向驅(qū)動(dòng)段傳播的膨脹波（或者稱“Taylor稀疏波”）。由于激波的壓縮作用，實(shí)驗(yàn)氣體的參數(shù)（如壓力、溫度等）會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而得到符合模擬要求的工作條件。圖8給出膜片破裂后激波管中的氣體溫度、壓力的分布情況：A區(qū)中是被驅(qū)動(dòng)段未被擾動(dòng)的低壓氣體狀態(tài)；B區(qū)中是激波后方被壓縮的氣體狀態(tài)；C區(qū)中是膨脹波后方的氣體狀態(tài)；D區(qū)中是驅(qū)動(dòng)段初始的高壓氣體狀態(tài)。我們通常把B區(qū)和C區(qū)的交界面稱作“中間面”（或者稱“接觸面”）。圖中箭頭指向相應(yīng)波陣面的運(yùn)動(dòng)方向?？梢钥吹?，隨著時(shí)間t的推移，激波陣面不斷向被驅(qū)動(dòng)段的末端運(yùn)動(dòng)；當(dāng)激波到達(dá)被驅(qū)動(dòng)段的末端時(shí)會(huì)被壁面反射回來。由于激波等波系的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)迅速，激波壓縮后形成的實(shí)驗(yàn)氣體工作狀態(tài)只能在短暫時(shí)間（一般是毫秒級(jí)到微秒級(jí)）內(nèi)保持不變。
當(dāng)需要在實(shí)驗(yàn)氣流中放置模型時(shí)，一般是采用激波風(fēng)洞來進(jìn)行的。激波風(fēng)洞是在激波管的被驅(qū)動(dòng)段后面接上噴管、實(shí)