編者按：中國科學(xué)院力學(xué)研究所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LHD）在國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（1）

為什么要研制JF12風(fēng)洞

眾所周知，研發(fā)先進(jìn)的空天飛行器是我們國家的一項(xiàng)重要舉措。早在百年前，孫中山先生就喊出了“航空救國”的口號(hào)，錢學(xué)森、郭永懷、林同驥、李敏華等力學(xué)大師們?yōu)閷?shí)現(xiàn)這一理想而也奉獻(xiàn)了自己的一生，到現(xiàn)在為止，中國的航天航空事業(yè)已經(jīng)取得了引人矚目的輝煌成就。縱觀世界，航空百年，從開始蹣跚學(xué)步到追尋高超聲速飛行，我們經(jīng)歷了艱辛的過程：不斷挑戰(zhàn)，不斷攻堅(jiān)。在新的世紀(jì)里，人類將追求航空技術(shù)與航天技術(shù)融合的實(shí)現(xiàn)。大家知道，航空技術(shù)是利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)（包括噴氣式）驅(qū)動(dòng)飛機(jī)在大氣中飛行，而傳統(tǒng)的航天技術(shù)則是利用火箭驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈、衛(wèi)星在大氣及太空中飛行。當(dāng)然，上世紀(jì)后期，美國研發(fā)了航天飛機(jī)來載人、運(yùn)貨，這是航天航空技術(shù)融合的一種嘗試，目的是為了實(shí)現(xiàn)天地往返并且重復(fù)使用，以期降低航天發(fā)射的費(fèi)用。但它采用的是垂直起飛、水平降落模式，所以起飛時(shí)仍依靠火箭推動(dòng)升空，返回時(shí)則依靠飛機(jī)滑翔到達(dá)地面（參見圖1，2）。
盡管由于種種原因，美國的航天飛機(jī)已經(jīng)停飛，但是進(jìn)入空天一直是人類探求的目標(biāo)。它不僅是國家安全的需求，也是社會(huì)發(fā)展的需求。發(fā)展“空天飛行器”能不斷提高人類“進(jìn)入空天”、“探索空天”和“利用空天”的能力，因此，它是一種國際性航空航天工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的需求。不難設(shè)想，對(duì)于這類空天飛行器，基本的要求是長航距、高速度。例如，科學(xué)家們目前對(duì)于研發(fā)先進(jìn)的空天飛行器，提出了兩小時(shí)內(nèi)全球到達(dá)并具備遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)能力的指標(biāo)，還給出了各種概念設(shè)計(jì)（參見圖3）。？
2003年，美國的國防部（DoD）和航空航天局（NASA）聯(lián)合提出了國家空天發(fā)展的啟動(dòng)規(guī)劃（National？Aerospace？Initiative，簡稱NAI），并以高超聲速（Hypersonics）、空間進(jìn)入（Space？Access）、空間技術(shù)（Space？Technology）為三大支柱，通過三者的融合，力求其研發(fā)的高超聲速飛行器具有遠(yuǎn)程攻擊、兩級(jí)入軌和軌道機(jī)動(dòng)的能力，從而達(dá)到控制太空的目的。？同年12月，相關(guān)的專家委員會(huì)對(duì)此進(jìn)行了論證，并提出了美國高超聲速技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展路線圖（Hypersonic？Technology？Status？and？Development？Roadmap）。
這個(gè)報(bào)告特別提到：地面試驗(yàn)裝備能力的提升是高超聲速飛行器技術(shù)突破的關(guān)鍵。因?yàn)槿魏涡滦惋w行器上天之前，都必須進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)，而其中有關(guān)氣動(dòng)性能的參數(shù)都是在風(fēng)洞試驗(yàn)中獲取的。然而，對(duì)于先進(jìn)的空天飛行器來說，目前已有的地面風(fēng)洞已經(jīng)不能完全滿足實(shí)驗(yàn)要求了。這也就意味著，先進(jìn)的飛行器需要先進(jìn)的試驗(yàn)風(fēng)洞。上述報(bào)告指出，先進(jìn)的地面試驗(yàn)風(fēng)洞亟需具備以下兩種能力：（1）馬赫數(shù)8以上推進(jìn)技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)芰?；?/span>2）大尺度、一體化熱結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)?zāi)芰Α?duì)于馬赫數(shù)的要求，我們不難理解，因?yàn)榭仗祜w行器要求高速度。氣動(dòng)力學(xué)家一般把速度超過聲速5倍（即馬赫數(shù)5）的飛行稱作高超聲速飛行。至于第（1）項(xiàng)要求中涉及的高超聲速推進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)?zāi)芰?，則和先進(jìn)空天飛行器的動(dòng)力有關(guān)，目前科學(xué)家們?cè)谥铝τ谘邪l(fā)一種吸氣式的超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)要求與整個(gè)飛行器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。因此，和常規(guī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這項(xiàng)推進(jìn)技術(shù)的難度很大，需要大量的地面試驗(yàn)來支撐。當(dāng)然，這個(gè)問題超越了本文范圍，故這里不再贅述，有興趣的讀者可以參閱刊載在本期《力學(xué)園地》的俞剛研究員的文章《高超聲速吸氣式推進(jìn)簡介》（？將發(fā)布在下期“前沿動(dòng)態(tài)”欄目中）。圖4是美國在NASA-LaRC風(fēng)洞內(nèi)測試X-51A高超聲速飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)性能的照片。

 

圖4 超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)

綜上所述，大家就能明白，高超聲速科技是未來航空航天工業(yè)的基石，是國家空天安全的支柱，它對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國家權(quán)益的保障具有重大戰(zhàn)略意義。為了突破高超聲速飛行器的技術(shù)關(guān)鍵，力學(xué)所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在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，2012年，該風(fēng)洞已研制成功并進(jìn)行了驗(yàn)收。目前，它被正式命名為JF12風(fēng)洞?；?/span>國家重大科技研發(fā)和學(xué)科基礎(chǔ)研究的需求，該激波風(fēng)洞達(dá)到的主要性能指標(biāo)如下：
(1) 試驗(yàn)氣流總溫：？？？？？？？1500～3500K；
(2) 試驗(yàn)氣流總壓：？？？？？？？2～12MPa；
(3) 試驗(yàn)氣流馬赫數(shù)范圍：？5～9；
(4) 風(fēng)洞噴管出口直徑：？？？ 2.5m；
(5) 有效試驗(yàn)時(shí)間：？？？？？？？～100ms。
這個(gè)新型激波風(fēng)洞由主體系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)兩部分組成（其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示），風(fēng)洞總長265米，總重量約1000噸。風(fēng)洞主體系統(tǒng)由爆轟驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段、噴管、試驗(yàn)測試段、真空容器、卸爆段、三個(gè)夾膜機(jī)構(gòu)、軌道支架及其液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、模型支撐系統(tǒng)等部分組成。風(fēng)洞附屬系統(tǒng)則由真空系統(tǒng)、高壓氣源系統(tǒng)、管體氣源配送和控制系統(tǒng)、監(jiān)控通訊和報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備和試驗(yàn)參數(shù)測試采集系統(tǒng)、光學(xué)測試系統(tǒng)等部分組成。

 

圖5 復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

（王柏懿撰文）