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《军武次位面》作者：不会飞的子弹
JF-22爆轰驱动风洞
最近，央视发布了一个短视频，标题叫做《中国“爆炸弹射”测试神秘物体》，视频内容则是一个形似乘波体的“神秘物体”在进行某种测试，画面右上角还有“JF-22激波风洞”的字样。
又是“爆炸弹射”，又是“神秘物体”，听起来让人摸不着头脑，不了解的人看了只感觉是又有什么“过于先进，不便展示”的武器横空出世了。
其实这则新闻最重要的不是标题，而是视频右上角的“JF-22激波风洞”，这是我国目前最为先进、也是位于世界领先水平的超高速风洞，全称为“爆轰驱动超高速高焓激波风洞”，刚在几个月前通过了验收。
风洞，通俗了讲就是会出风的洞，听起来好像没什么技术含量，但却是航空航天飞行器的摇篮。就好比性能更强的芯片需要用制程更小的光刻机一样，更快速度的飞行器，也需要可提供更高风速的风洞。
在飞行器的设计过程中，空气动力学外形和动力系统通常是并行设计的。这就涉及到一个问题：外形设计往往比动力系统设计要快，不可能等到所有子系统都设计完毕，组装成样机开到天上去飞一圈，采集了数据之后又修改外形，然后又飞一圈。
▲歼十在风洞中
这样不仅浪费时间、浪费金钱，同时对试飞员的生命是极大的风险，尤其是一些超音速飞行器，让飞行员驾驶一架仅仅通过了仿真试验的飞行器去超音速飞行，很有可能付出生命的代价。
尤其是对于一些高超音速的飞行器，空气就不只是形成阻力那么简单了，而是会在飞行器头部形成一道激波，这道激波将把空气加热到极高的温度，以致于空气变为了一种在不断进行热化学反应的复杂介质。
因此，如何让一款飞行器在还不具备飞行能力之前，就对它进行空气动力学和高温气体动力学的相关试验，就是风洞所存在的意义。
既然飞行器动不了，那就放一架等比例缩小的飞行器模型在风洞里，让空气在风洞中高速流动也是一样的效果，这就是风洞。
世界上最早的风洞出现在1871年，由英国人温霍姆建造，实际上就是一个两端开口的木箱；1901年，我们耳熟能详的莱特兄弟也建造了自己的风洞，人类历史上的第一架飞机，就是莱特兄弟在风洞内试验了上千次，才最终飞上天空的。
时至今日，世界各国所建造的风洞已多达上千座，而且所能实现的功能也更加多样化，可以模拟不同条件下的大气环境，并且还开发出了更为精密的配套测量技术。
风洞一般按照所能提供的最大风速，可分为低速风洞、跨声速风洞、超声速风洞、高超声速风洞。其中，只有亚音速和跨声速的风洞是我们印象中的涡扇风洞，但对于高超音速的风洞，就无法使用这种方法了。
超高声速风洞一般都是激波风洞，其核心部件就是激波管，简单点说就是一根管子中间隔了一层膜，用某种驱动方式让膜的一侧充满高压气体，两侧形成极大的压强差，然后当膜破裂时就会产生激波，从而让空气高速流动。
所以，激波风洞相对于涡扇风洞，最大的区别就是维持时间很短，通常以毫秒计，不像涡扇那样可以输出持续的高速气流，但是激波风洞所能达到的马赫数上限是涡扇风洞所无法触及的。
在激波风洞中，如何形成激波管中的压强差是关键。西方国家主流的方法是使用自由活塞驱动，通俗点讲就是用活塞压缩空气，制造压强差然后冲破主膜片形成高速气流。
西方国家用自由活塞驱动的激波风洞，最强的也就能做到二十马赫，而我国最新研制的这座JF-22超高速激波风洞能达到惊人的30马赫，并且在10马赫的速度下可以提供40毫秒的试验时间。
相比之下，美国LensⅡ风洞，最高风速只有15马赫，在7马赫速度下也只能维持30毫秒，而日本的风洞实验时间更是只有2个毫秒。所以，不管是在最大风速还是试验时间上，JF-22都可以说是遥遥领先，领先同行不是一点点。
用中国科学院力学研究所副研究员韩桂来的话来说：“JF-22在一些方面领先西方至少20-30年”；中国科学院激波风洞项目负责人姜宗林更是指出：“所以这个性能的话，在世界上没有其他风洞可以比的，”
▲翻译一下就是：在座的没一个能打的。
可以说，一个国家的所能建造风洞的最大风速，就是这个国家设计飞行器的速度上限。因此，想要设计高超声速的飞行器，就必须有与之相匹配的高超声速风洞。
所以，我国在航空航天以及高超声速飞行器上的领先，其实背后都离不开一座座中国风洞的支持。但实际上我国在风洞的建设和发展上，起初是远远落后于西方国家的。
中国的风洞建设奠基得益于两位先生，一位是钱学森，一位是郭永怀，两位都是空气动力学领域的专家，也都先后选择回国投入祖国的科技建设，分别担任中科院力学研究所的所长、副所长，主导了我国的风洞建设方向。
当时，钱学森、郭永怀前瞻性地认识到了风洞建设对未来中国航空航天事业以及国防科技发展的重要性，大力推动风洞建设。并于1958年在力学所设立了激波管组，目的之一就是研制激波风洞。
提到这个激波管组，就不得不提到我国激波风洞的开拓者之一，郭永怀先生亲自带出的一名研究生，时任激波管组组长的俞鸿儒。
在1958年8月，俞鸿儒所率领的团队成功研制出了我国第一代激波管，实现了从0到1的突破。但是在那之后，我国的风洞研究再次遇到了瓶颈。
当时国际上的高声速激波风洞，除了自由活塞驱动，还有加热轻气体驱动，但这两种驱动方式都面临一个问题，那就是需要消耗极大的电力对激波管内的气体进行加热，风速越高，所需要加热的温度也越高，建设和使用成本都不是一个小数目。
▲曾极具代表性的日本HIEST自由活塞驱动激波风洞
当时的中国，很多农村地区压根连电力都没有，想要动用几乎是一座中型水电站的输出功率去给当时还没有使用需求的激波风洞供电，根本是不可能的事情，即便是建设资金也得先挪给国家急需的一些项目。
▲美国LENS系列激波风洞
好在，钱学森、郭永怀两位先生十分清楚激波风洞对未来中国航空航天的重要性，一直坚定支持激波组的工作，同时俞鸿儒也在整日苦想，怎样花最少的费用，造出性能最好的风洞。
在资金上跟西方国家拼不过，在理论体系上也才刚刚起步，俞鸿儒在报考郭永怀先生的研究生之前根本都不了解激波管，因此想要快速发展，弯道超车，就必然不能跟着西方国家的步子走，这样永远追不上。
▲1956年，俞鸿儒在大连工学院
当时，激波风洞在理论上还有另一种驱动方法，叫做爆轰驱动法，最早是在1957年由英国科学家Bird G.A.进行了理论分析，但是Bird G.A.认为爆轰驱动不适合用于激波风洞。
在爆轰驱动的理论中，根据起爆点的不同，又分为正向爆轰驱动和反向爆轰驱动，正向就是在驱动端的尾端起爆，激波向主膜片正向传播，反向就是主膜片附近起爆，激波经驱动端尾端反射后传向试验段。
但是这两种方法都有缺陷，正向爆轰产生的激波衰减极快，难以达到使用要求，而反向爆轰由于要经过尾端反射，很容易把激波管给直接炸了，安全系数不高。
当时国际上普遍认为爆轰驱动是不可行的技术，但俞鸿儒院士却看上了这道排水渠，认为这就是超车的捷径，理由之一就是爆轰驱动相当便宜，能给国家省不少钱。
1962年的时候，俞鸿儒进行膜片处多火花点火氢氧燃烧驱动实验，有几次出现了爆轰现象，压强直接升高到初始压强的两百多倍，把激波管的固定栓都震松了，再高点就把激波管给炸了。
▲1960年俞鸿儒在实验室
西方国家也进行过这种试验，但是发现反向爆轰危险性极大后就放弃了，但俞鸿儒的导师也就是郭永怀先生告诉他：一定要走自己的路，探索中国高超声速气动试验的新途径。
于是，后来俞鸿儒团队就一头扎在了爆轰驱动技术上，后来决定对激波管进行改造，在驱动段的尾端再串联一个卸爆段，消除了反向爆轰驱动的弊端，而保留了其激波强、花钱少的优点。
1969年，俞鸿儒院士带领团队自主建成了我国第一座大型高超声速风洞JF-8激波风洞，采用氢氧燃烧驱动，为后来的爆轰驱动打下基础。（最离谱的是，JF-8总共就花了8万元，主打一个勤俭持家！）
此后，中科院力学所开始对爆轰驱动技术进行系统性的研究，在1990年建立了BBF100爆轰实验激波管，解决了爆轰驱动实际应用中的多个关键技术。
1998年，我国建成了世界上第一座爆轰驱动高焓激波风洞JF-10，实验风速7马赫，实验时间6-8ms，是当时国际上研究高超声速的主力设备。而且比JF-8还离谱的是，JF-10上只花了国家支持的2万元资金，剩下的都是平时节省下来的科研经费。
▲JF-10通过验收
西方国家听闻中国把爆轰驱动激波风洞搞出来了，都惊了，先是德国亚琛工业大学和中国科学院达成了合作，建设了反向爆轰驱动的TH2-D高焓激波风洞（俞鸿儒曾去这所大学做实验，验证了爆轰驱动的可行性，这次合作相当于还人情了）。
▲1988年，俞鸿儒在中国驻德大使馆
而美国的NASA也赶紧对爆轰驱动的可行性进行了重新论证，后来决定在Hypulse激波风洞项目中采用爆轰驱动，一夜之间变成了美国追赶中国。
▲2000年，日本激波风洞专家参观中科院力学所
2012年，我国又建成了世界上首座复现高超声速飞行条件的超大型激波风洞JF-12，最大风速可达9马赫，复现温度可达3000摄氏度，是当时世界上最先进的激波风洞，西方国家称之为“Hyper-Dragon”，意为巨龙。
▲复现高超声速飞行条件激波风洞JF-12
我们耳熟能详的东风17、东风27、鹰击21，这些高超声速导弹的出现，背后都有JF-12的功劳，有了风洞上的超车领先，才有我国在高超声速飞行器上的不断突破。
最令为人倾佩的是，郭永怀先生对于我国风洞建设的高瞻远瞩，提前了至少十年开始部署我国激波风洞的研究。根据俞鸿儒院士的回忆，当时激波管组并未参与军工任务，但是后来国家发展导弹、航空航天，需要用到激波管，才发现力学所早在造好了。
▲俞鸿儒参加郭永怀先生诞辰90周年
钱学森先生在这个问题上站得更高。
相信大家都看过钱学森先生在黑板上画出的那道从纽约到巴黎的弧线，常被人称为钱学森弹道。但实际上这幅图是表示高超音速客机的，表示从纽约飞到巴黎只要一两个小时。
只不过，最后真正落地的协和式客机也只是超音速（2马赫），还达不到高超音速的门槛，而这一定程度上也受制于当时激波风洞的发展水平。
而在几十年后，我们再看这次JF-22激波风洞验收后进行的首次公开试验，画面中的“神秘物体”，其实是我国正在研发的一种多级入轨飞行器，这次就是对一级和二级飞行器在超音速飞行下分离进行试验。
中国科学院激波风洞项目负责人姜宗林在2017年曾说：下一代的航空航天技术，我们希望飞到5倍以上的声速，这种飞行器研究成功的话，从北京飞到纽约变成两个小时，把国际旅行变成了国内旅行。
那一道从纽约到巴黎的曲线，将会诞生于钱学森自己亲自推动建设的中国风洞之中。
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