高超音速風洞：先進飛行器“搖籃”

高超音速風洞：先進飛行器“搖籃”

■岡敦殿

風洞試驗對于飛行器的研制至關(guān)重要，可以說風洞是各類飛行器的“搖籃”。高超音速飛行器的飛行速度超過5馬赫，突防能力強，被稱為“大國利器”。要設計高超音速飛行器，需要氣動力、氣動熱等關(guān)鍵數(shù)據(jù)作為支撐，風洞試驗就是這些數(shù)據(jù)的主要來源。

美國國家航空航天局下屬格倫研究中心的高超音速風洞。

2024年11月，美國圣母大學宣稱“研制出國際首座氣流速度超過10馬赫的靜音風洞，將用于支撐美國高超音速飛行器等先進武器裝備研究”，并舉行設備啟動儀式。據(jù)悉，該風洞的研制獲得了美國國防部和美國空軍的支持。

大國競相研發(fā)

風洞是依據(jù)相對運動原理和一定的相似準則，在地面以人工方式制造高速氣流，使其流過飛行器模型，據(jù)此開展實驗測試的管道狀設備。風洞種類繁多，按照不同氣流流向、氣流速度、實驗時間、功能用途和形狀尺寸等，可以分為不同類型。其中，根據(jù)試驗段氣流速度（馬赫數(shù)）范圍劃分風洞，馬赫數(shù)小于0.3的風洞為低速風洞；大于0.3小于0.8的為亞音速風洞；大于0.8小于1.2的為跨音速風洞；大于1.2小于5的為超音速風洞；大于5的為高超音速風洞。

高超音速風洞專門用于模擬高超音速飛行條件，對航天飛行器、中程彈道導彈、運載火箭等高超音速飛行器進行測試，確保后者在實際使用中具備較高的可靠性和優(yōu)良性能。按照運行時長不同，高超音速風洞又分為脈沖式和暫沖式兩種，脈沖式風洞的穩(wěn)定運行時長一般為毫秒量級，暫沖式風洞的運行時長在數(shù)秒至數(shù)十分鐘。另外，高超音速風洞運行時需要通過一定途徑使氣體溫度升高，確保氣流在試驗段不會發(fā)生冷凝。通常，高溫高壓氣體經(jīng)過收縮擴張型噴管膨脹加速到高超音速。

從發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、研究流動機理，到提供飛行器設計所需的氣動力、氣動熱等數(shù)據(jù)，高超音速風洞試驗至關(guān)重要，一些國家為此建立了多型高超音速風洞設備。

美國是當今世界上擁有高超音速風洞最多的國家之一，美國國家航空航天局下屬機構(gòu)、國防部下屬機構(gòu)和一些商業(yè)機構(gòu)都建有數(shù)量眾多的高超音速風洞。在過去60多年間，美國高超音速風洞在其高超音速計劃中發(fā)揮了重要作用。例如，美國航天飛機計劃先后進行了700多項地面模擬試驗，試驗總時長達7萬多小時；X-43A、X-51A等高超音速驗證機試飛也與大量地面試驗密不可分。俄羅斯也建有多型風洞設備，主要集中在俄羅斯中央流體動力研究院、中央機械研究院等單位。

幾處典型風洞

美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心9號風洞，主要用于臨近空間高超音速飛行器和跨大氣層飛行器的氣動力地面試驗。其氣流速度在6至14馬赫之間，噴管口徑1.5米，運行時長為0.5至15秒，2016年升級改造后氣流速度可達18馬赫。美國航空航天局下屬格倫研究中心的HTF高超音速風洞，能夠模擬5至7馬赫的高超音速氣流。

日本國家航天實驗中心（角田）HIEST風洞是一座激波風洞，具備噴管口徑大、試驗時間長等特點。該風洞的最高總壓達150兆帕，噴管口徑0.8米，穩(wěn)定試驗時長在2毫秒以上，可模擬的氣流速度范圍為8至16馬赫。

俄羅斯中央機械研究院U-12風洞，可模擬的氣流速度為2至20馬赫，可按照常規(guī)激波管方式運行，在激波管中產(chǎn)生強激波，強激波將試驗氣體加熱到高溫狀態(tài)，也可按照下吹風洞方式運行，但試驗時間較短。

未來發(fā)展趨勢

隨著航空航天、軍事等領(lǐng)域?qū)Ω叱羲亠w行器的性能要求不斷提高，高超音速風洞的技術(shù)指標也不斷提升。這包括提高風洞的實驗段馬赫數(shù)范圍、氣流溫度和壓力等參數(shù)，以模擬更為真實的高超音速飛行環(huán)境。同時，這也對風洞的流場品質(zhì)、測量精度等提出更高要求，以滿足更精確的實驗需求。

從目前的技術(shù)發(fā)展看，靜音風洞是未來高超音速風洞的發(fā)展趨勢之一。靜音風洞能夠模擬出逼真的高超音速飛行環(huán)境，提高實驗數(shù)據(jù)的可信度。不過，靜音風洞的發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)，包括高昂的建設和運行費用、技術(shù)難題等。各航空航天大國都將靜音風洞列為重要發(fā)展方向之一，美國圣母大學風洞即為一型靜音風洞。