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中國獨創風洞技術,領先美俄20年,成國家核心機密,技術對外封鎖

2024-01-27 11:15:41

風洞即風洞實驗室,是以人工的方式產生並且控制氣流,用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況,並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗裝置。大型高階風洞更是一個國家的重要戰略資源。戰鬥機、航天器、艦艇、火箭、導彈、人造衛星等,在研發過程中必須過風洞這一關。

可以說如果沒有風洞,一個國家的國防軍事力量就沒有辦法發展。,如果沒有先進配套的風洞,就很難研製出跨代的高精尖武器。

很多人,建造一個風洞是很簡單的問題,無非是建造一個大的洞體,再由一個巨大的風扇吹風就妥了。其實風洞的建造是很複雜的問題,它涉及氣動力學、材料學、機電、聲學等20餘個專業領域。

就說洞內的氣流來說,要實驗段各處風的速度均勻,速度的方向平行,湍流度要控制在一定範圍內,這就是所謂對流場品質的要求。對於高速風洞,除了對流場品質的要求外,對氣流的溼度和溫度還有要求。另外洞體合乎要求後,還要有配套的許多測試裝置和儀器。要有測力測力矩和測量流場各點的速度壓強的裝置。

由於這些資料的量很大,所以又需要有資料的自動採集和處理的裝置。大型高階風洞,全球也僅有少數幾個國家能夠建造。

高超聲速風洞技術

20 世紀90 年代以來, 隨著經濟全球化發展,面對激烈的風洞試驗市場競爭和未來高效能飛行器研製的挑戰,發達國家開始規劃研究21世紀航空航天業對風洞試驗裝置的需求,風洞建設和運營呈現出新的發展趨勢,尤其是對高超聲速風洞的建設,更是成為眾多國家的重點目標。

高超聲速研究和試驗經過70多年的發展,今已研製出可進行戰略打擊、導彈防禦和外太空探測的各類高超音速武器系統和飛行器,高超音速武器主要包括高超音速制導炮彈、偵察機、巡航導彈、鑽地彈、轟炸機等。它們突出的強機動、強突防、遠端精確打擊能力,可利用其優異的飛行效能與裝載能力發展成為通用投送平臺,並攜帶各類有效載荷,有效執行各種任務。高超音速武器被軍事專家稱為繼螺旋槳、噴氣推進器之後航空史上的第三次革命性成果,被稱為在未來戰場上具有決定性作用的武器之一。

像高超音速飛行器,其飛行馬赫數很高,在飛行器的頭部將形成強烈的弓形激波,誘匯出很大的激波阻力。高馬赫數的飛行條件還將造成發動機進氣道的高焙值狀態和飛行器頭部強烈的熱傳導效應。另外,飛行器周圍的空氣將被飛行器前的弓形激波加熱到很高的溫度,從而導致空氣分子的振動激發,離解,化合甚至電離,使得空氣變成反應介質。這些物理化學現象,將對飛行器氣動力、氣動熱以 及飛行器周圍繞流的輻射特性產生重大影響,使得由超聲速理論預測的高超聲速流動帶有較大的偏差, 就是所謂的“真實氣體效應”。為了更真實地模擬這些情況,這也對風洞提出了更高的要求。

高超聲速風洞實驗模擬存在四個難點:(1)不能用替代實驗氣體模擬化學反應機制;(2)為確保反應過程的正常觸發,必須模擬氣流溫度以確保化學反應程序的復現;(3)由於熱化學反應的不可縮尺性,必須產生足夠大的試驗流場、採用足夠大的模型,解決非平衡流動模擬問題;(4)需要適當長的實驗時間,以確保流場穩定,從而完成超聲速燃燒和飛行器氣動力的實驗研究。如何同時滿足上述四個需求一直是世界難題。

中國獨創風洞技術

俞鴻儒院士團隊從上述四大需求出發,分析了國際主流高焓激波風洞技術的侷限性,獨創了爆轟驅動高燃激波風洞技術,建立了系統的爆轟驅動高超聲速風洞理論,並進一步提出了激波反射型正向爆轟驅動方法。藉助爆轟波反射產生的上行激波,實現了爆轟波形的剪裁和重構,解決了稀疏波導致入射激波嚴重衰減的學科難題,驅動能力比反向爆轟驅動模式提高了5倍。

目前全世界激波管強驅動方式共有三種:重活塞驅動、加熱輕氣體驅動以及俞鴻儒的爆轟驅動。

根據俞鴻儒建立的爆轟驅動高超聲速風洞理論,由此打造了JF12高超聲速復現風洞。JF12高超聲速復現風洞有近300米長,是世界上最大的激波風洞,被國際同行稱為“超級巨龍”(Hyper-Dragon),是國際首座可復現高超聲速飛行條件的超大型高超聲速風洞,復現風洞理論和技術解決了困擾高超聲速地面試驗六十年的世界難題,實現了風洞試驗狀態從流動“模擬”到“復現”的跨越,JF12激波風洞的誕生也讓高超音速武器的研製成為了可能。

目前,國際上僅有中國的JF12復現風洞(已建)和JF22超高速風洞具備高超聲速“地面飛行”實驗的能力

而在此基礎上,根據中國科學院力學研究所的訊息,中國還研發了JF-22激波風洞的裝置,將為我國在風洞領域領先世界打下基礎,堪稱新一代的“大國重器”。

根據介紹,在JF-22激波風洞的模擬中,飛行器可以在30馬赫的速度下進行高度在4-8萬米高空飛行測試,JF-22風洞需要用15000兆瓦功率來驅動,也就是說在JF-22開機的一瞬間,總功率是可以與三峽大壩相比的。按照研究所副研究員韓桂來的說法,JF-22風洞的誕生,標誌著中國在風洞技術上領先美國等西方國家20-30年。

另外,央視曾經報道過,很多款新型高超音速飛行器模型都在JF12風洞“吹過風”,我們可以想象一下里面會有什麼武器。可以說高超聲速風洞的誕生,是美國的噩夢。

風洞技術對外封鎖

中國之所以可以在風洞技術上領先世界,離不開一代代人的努力,錢學森首次使用“hypersonic"(高超聲速)這個概念來描述氣體運動速度遠遠大於環境聲速的流動狀態,而郭永懷早在50年代就提出來了要發展高超音速武器,領先美國十幾年,後來,郭永懷提出中國要大力要建設風洞,我國於1965年在四川組建了高速空氣動力研究機構,1968年,郭永懷在此基礎上又領導組建了中國空氣動力研究與發展中心,也是比歐美更早規模性建設風洞實驗室。

後來,郭永懷不幸犧牲,俞鴻儒繼承老師遺志,獨創了爆轟驅動超高速風洞的理論與方法,俞鴻儒的學生薑宗林等人又在此基礎上建立了JF12風洞,可以說正是一代代人前赴後繼,中國才能不斷發展。

目前,中國的風洞技術已經列入了《中國禁止出口技術目錄》,風洞技術作為中國核心技術,對外封鎖,嚴禁歐美獲得。

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