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中科院力学所
JF12高超声速激波风洞（1）
力学园地
2014年06月03日
编者按：中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室（LHD）在国家重大科研装备研制计划的支持下，于2008年1月正式启动了？“复现高超声速飞行条件激波风洞”？项目。在姜宗林研究员的主持下，LHD的相关研究团队经过数年的努力，在2012年完成了研制任务。目前该风洞被命名为“JF12高超声速激波风洞”，并已正式运行。本刊将陆续介绍JF12风洞研制的背景与意义，风洞原理与关键技术的突破，以及利用它所开展的国家重大项目与学科前沿研究的情况。
图2 航天飞机返回
尽管由于种种原因，美国的航天飞机已经停飞，但是进入空天一直是人类探求的目标。它不仅是国家安全的需求，也是社会发展的需求。发展“空天飞行器”能不断提高人类“进入空天”、“探索空天”和“利用空天”的能力，因此，它是一种国际性航空航天工业发展战略的需求。不难设想，对于这类空天飞行器，基本的要求是长航距、高速度。例如，科学家们目前对于研发先进的空天飞行器，提出了两小时内全球到达并具备远程机动能力的指标，还给出了各种概念设计（参见图3）。？
这个报告特别提到：地面试验装备能力的提升是高超声速飞行器技术突破的关键。因为任何新型飞行器上天之前，都必须进行大量的地面试验，而其中有关气动性能的参数都是在风洞试验中获取的。然而，对于先进的空天飞行器来说，目前已有的地面风洞已经不能完全满足实验要求了。这也就意味着，先进的飞行器需要先进的试验风洞。上述报告指出，先进的地面试验风洞亟需具备以下两种能力：（1）马赫数8以上推进技术的试验能力；（2）大尺度、一体化热结构的试验能力。对于马赫数的要求，我们不难理解，因为空天飞行器要求高速度。气动力学家一般把速度超过声速5倍（即马赫数5）的飞行称作高超声速飞行。至于第（1）项要求中涉及的高超声速推进技术试验能力，则和先进空天飞行器的动力有关，目前科学家们在致力于研发一种吸气式的超声速燃烧冲压发动机，这种发动机要求与整个飞行器进行一体化设计。因此，和常规的航空发动机相比，这项推进技术的难度很大，需要大量的地面试验来支撑。当然，这个问题超越了本文范围，故这里不再赘述，有兴趣的读者可以参阅刊载在本期《力学园地》的俞刚研究员的文章《高超声速吸气式推进简介》（？将发布在下期“前沿动态”栏目中）。图4是美国在NASA-LaRC风洞内测试X-51A高超声速飞行器发动机性能的照片。
综上所述，大家就能明白，高超声速科技是未来航空航天工业的基石，是国家空天安全的支柱，它对于国民经济的发展、国家权益的保障具有重大战略意义。为了突破高超声速飞行器的技术关键，力学所的高温气体动力学国家重点实验室在2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目，2012年，该风洞已研制成功并进行了验收。目前，它被正式命名为JF12风洞。基于国家重大科技研发和学科基础研究的需求，该激波风洞达到的主要性能指标如下：
(1) 试验气流总温：？？？？？？？1500～3500K；
(2) 试验气流总压：？？？？？？？2～12MPa；
(3) 试验气流马赫数范围：？5～9；
(4) 风洞喷管出口直径：？？？ 2.5m；
(5) 有效试验时间：？？？？？？？～100ms。
这个新型激波风洞由主体系统和附属系统两部分组成（其结构示意图如图5所示），风洞总长265米，总重量约1000吨。风洞主体系统由爆轰驱动段、被驱动段、喷管、试验测试段、真空容器、卸爆段、三个夹膜机构、轨道支架及其液压驱动系统、模型支撑系统等部分组成。风洞附属系统则由真空系统、高压气源系统、管体气源配送和控制系统、监控通讯和报警系统、设备和试验参数测试采集系统、光学测试系统等部分组成。
JF12高超声速激波风洞（1）
为什么要研制JF12风洞
众所周知，研发先进的空天飞行器是我们国家的一项重要举措。早在百年前，孙中山先生就喊出了“航空救国”的口号，钱学森、郭永怀、林同骥、李敏华等力学大师们为实现这一理想而也奉献了自己的一生，到现在为止，中国的航天航空事业已经取得了引人瞩目的辉煌成就。纵观世界，航空百年，从开始蹒跚学步到追寻高超声速飞行，我们经历了艰辛的过程：不断挑战，不断攻坚。在新的世纪里，人类将追求航空技术与航天技术融合的实现。大家知道，航空技术是利用航空发动机（包括喷气式）驱动飞机在大气中飞行，而传统的航天技术则是利用火箭驱动导弹、卫星在大气及太空中飞行。当然，上世纪后期，美国研发了航天飞机来载人、运货，这是航天航空技术融合的一种尝试，目的是为了实现天地往返并且重复使用，以期降低航天发射的费用。但它采用的是垂直起飞、水平降落模式，所以起飞时仍依靠火箭推动升空，返回时则依靠飞机滑翔到达地面（参见图1，2）。
图1 航天飞机发射[/caption]
图2 航天飞机返回
图3 先进的空天飞行器概念
2003年，美国的国防部（DoD）和航空航天局（NASA）联合提出了国家空天发展的启动规划（National？Aerospace？Initiative，简称NAI），并以高超声速（Hypersonics）、空间进入（Space？Access）、空间技术（Space？Technology）为三大支柱，通过三者的融合，力求其研发的高超声速飞行器具有远程攻击、两级入轨和轨道机动的能力，从而达到控制太空的目的。？同年12月，相关的专家委员会对此进行了论证，并提出了美国高超声速技术现状与发展路线图（Hypersonic？Technology？Status？and？Development？Roadmap）。
这个报告特别提到：地面试验装备能力的提升是高超声速飞行器技术突破的关键。因为任何新型飞行器上天之前，都必须进行大量的地面试验，而其中有关气动性能的参数都是在风洞试验中获取的。然而，对于先进的空天飞行器来说，目前已有的地面风洞已经不能完全满足实验要求了。这也就意味着，先进的飞行器需要先进的试验风洞。上述报告指出，先进的地面试验风洞亟需具备以下两种能力：（1）马赫数8以上推进技术的试验能力；（2）大尺度、一体化热结构的试验能力。对于马赫数的要求，我们不难理解，因为空天飞行器要求高速度。气动力学家一般把速度超过声速5倍（即马赫数5）的飞行称作高超声速飞行。至于第（1）项要求中涉及的高超声速推进技术试验能力，则和先进空天飞行器的动力有关，目前科学家们在致力于研发一种吸气式的超声速燃烧冲压发动机，这种发动机要求与整个飞行器进行一体化设计。因此，和常规的航空发动机相比，这项推进技术的难度很大，需要大量的地面试验来支撑。当然，这个问题超越了本文范围，故这里不再赘述，有兴趣的读者可以参阅刊载在本期《力学园地》的俞刚研究员的文章《高超声速吸气式推进简介》（？将发布在下期“前沿动态”栏目中）。图4是美国在NASA-LaRC风洞内测试X-51A高超声速飞行器发动机性能的照片。
图4 超声速燃烧冲压发动机的风洞试验
综上所述，大家就能明白，高超声速科技是未来航空航天工业的基石，是国家空天安全的支柱，它对于国民经济的发展、国家权益的保障具有重大战略意义。为了突破高超声速飞行器的技术关键，力学所的高温气体动力学国家重点实验室在2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目，2012年，该风洞已研制成功并进行了验收。目前，它被正式命名为JF12风洞。基于国家重大科技研发和学科基础研究的需求，该激波风洞达到的主要性能指标如下：
(1) 试验气流总温：？？？？？？？1500～3500K；
(2) 试验气流总压：？？？？？？？2～12MPa；
(3) 试验气流马赫数范围：？5～9；
(4) 风洞喷管出口直径：？？？ 2.5m；
(5) 有效试验时间：？？？？？？？～100ms。
这个新型激波风洞由主体系统和附属系统两部分组成（其结构示意图如图5所示），风洞总长265米，总重量约1000吨。风洞主体系统由爆轰驱动段、被驱动段、喷管、试验测试段、真空容器、卸爆段、三个夹膜机构、轨道支架及其液压驱动系统、模型支撑系统等部分组成。风洞附属系统则由真空系统、高压气源系统、管体气源配送和控制系统、监控通讯和报警系统、设备和试验参数测试采集系统、光学测试系统等部分组成。
图5 复现高超声速飞行条件激波风洞结构示意图
（王柏懿撰文）