開始冒進！美軍慌了？沒有風洞也要造高超音速！中國JF22風洞：領先西方20年_風聞

本文續接於上篇：“中國測試33倍音速風洞！模擬11千米/秒超高速，要設計殲星艦嗎？”

引子比較有趣，9月6日，美國防部國防創新部門發佈了一個關於超音速武器研製計劃的要求，希望美軍目前在研的高超音速武器少用美國為數不多的風洞設施，儘量用實際測試的數據支持研製計劃，但同時要求研發單位能節省開支。

筆者看到這個新聞時直接驚呆了，這種直接不經測試直接上機的方式嚴重違反科學研究的一般流程，儘管看上去似乎很有道理，但這完全行不通！因為高超音速環境絕不是模擬所能達到的，下文將從高超音速武器與風洞的關係來簡單描述下高超武器到底有哪幾種，分別是什麼原理，再來圍觀下美軍的決定到底有多荒唐。

高超音速已經不全是空氣動力學，而是一個複雜的大氣極端高温下與機體表面複雜的一個交互過程，因為在極端高超音速條件下，不僅會有空氣動力學作用，還會與機體表面產生電離以及化學反應，它與高超音速的多種技術相關性非常大。

高超音速技術：滑翔與吸氣，兩個都很重要

在上一篇文章中介紹了激波風洞的幾個實現類型，那麼它們到底有什麼用途呢、上文的DF-17和DF-26已經點出了一部分，不過卻沒有相對系統性的做過介紹，就目前而言，高超音速領域的應用主要在以下幾個部分：

1、高超音速滑翔類飛行器；

2、吸氣式高超音速發動機；

3、再入返回大氣層（第一宇宙速度和第二宇宙速度返回）；

高超音速滑翔類飛行器，比如上文説的DF-17就是其中一種，這種方式是將一枚升力體式的滑翔武器送到臨近空間，然後在高超音速條件下進行滑翔的方式，此時就有幾個要求了，哪種升力體在飛行器速度從十幾馬赫到幾馬赫的速度範圍內升阻比最高、可以滑翔最遠的距離？

還有高超音速滑翔時氣動加熱以及高超音速氣流在飛行周圍引發的畸變有多大，設備上的光學或者電磁窗口應該如何應付這種變化？還有在高超音速下已經電離的空氣分子對機體的影響有多大？長時間飛行如何來冷卻等等，數不清的問題，只有風洞才能解決。

滑翔類高超音速飛行器除了升力體外還有軸對稱飛行器，這個高超音速升阻比要比升力體差很多，但門檻相對比較低，因為它可以轉個角度均勻受熱，對熱防護要求明顯降低。

吸氣式高超音速發動機

這個領域基本有隻有兩個類型，一個是超燃衝壓發動機，另一個就是脈衝爆震發動機，但由於超燃衝壓發動機只能4-5倍音速以上才能點火，因此在實際情況中就只能用火箭或者渦輪噴氣發動機加速到這個速度才能點燃了。

而風洞在此時就非常關鍵了，超燃衝壓發動機的進氣道和燃燒室該是如何的形狀才能壓縮效果好，但阻力卻最低；進入進氣道的氣流在激波反射與壓縮的哪個位置最適合噴入燃料；什麼時候點燃；爆轟燃燒波擴散的情況如何？怎樣保持穩定火焰等等都需要風洞才能告訴我們該怎麼做，完成建模並造出實物才能上機測試，否則每次修改個參數都射一枚火箭或者空中測試一次，這個成本估計誰都吃不消。

走完了這些流程，才能將超燃衝壓發動機和火箭或者渦噴組合起來裝機測試，比如目前流行的組合發動機方式有TBCC（渦噴+超燃衝壓）、RBCC（火箭+超燃衝壓）、TREE（渦噴+火箭+超燃衝壓）這些組合發動機，TBCC適合用在高超音速飛行器上，RBCC適合在導彈上，TREE則是空天飛機的動力。

爆震發動機也是高超音速的一個領域，這個採用等容燃燒的發動機效率很高，非常節省燃料，目前主要有三種，分別是脈衝爆震（多管爆震）、旋轉爆震和傾斜激波爆震，其中脈衝爆震技術門檻最低，旋轉爆震最接近實用，而傾斜爆震速度最高，但技術難度最大。

傾斜爆震的方式的進氣道與燃燒室的結構與超燃衝壓發動機非常相似，但兩者又有些不一樣，由於傾斜激波爆震對測試環境要求極高，沒有足夠時間的高超音速激波風洞以及持續的時間，根本就沒辦法測試，因此到目前為止僅有中國實現了點火測試，未來進展如何尚難預料，不過這也從側面反應了中國的高超音速風洞技術已經獨步全球。

33倍音速要幹嘛？

高超音速風洞最關鍵的另一個應用就是再入返回了，到目前為止有兩種方式返回，一種是像神舟、聯盟以及獵户座和龍飛船的盾底燒蝕大底返回，這種以燒蝕的方式帶走熱量，保全飛船穿過極端高温的黑障區，是成本最低的返回方式。

另一種就是航天飛機的返回，這種方式則是近滑翔體方式的返回，目前中國的“空天飛機”和美國X-37B也採用這種方式，這種方式比鐘形或者大錐形飛船的升阻比要高很多，但機動範圍也是比較有限的，最遠機動大約不超過200千米（極限），原本在將近100千米的高度下返回地球，其滑翔距離應該很遠才對（最差的滑翔機升阻比也可以達到20）。

所以高超音速風洞也將為這些返回方式給出最優解決方案！但第一宇宙速度返回的最高速度也就25馬赫，即使考慮高層大氣音速降低也不過30馬赫，為什麼要11.5千米/秒？這個可是妥妥的第二宇宙速度返回，真要造殲星艦嗎？

其實還真不是，因為載人飛船從月球或者火星返回就是第二宇宙速度，此時有兩個選擇，一個是減速進入環繞軌道然後再執行返回，另一個則是直接以第二宇宙速度返回，前者比較保險但會消耗大量燃料，後者比較激進但更省錢。

有了11.5千米/秒的激波風洞後，將會設計出更合適的水漂彈道讓載人飛船返回地球，這個軌跡要求非常高，而且還不能讓過載超過宇航員承受極限，這比嫦娥五號採樣返回的返回艙軌跡控制要求高得多，因此這種極高超音速風洞是為未來的載人月球和火星計劃服務的。

美軍動態：沒有風洞也要造出高超音速飛機

2022年9月6日，防務新聞網站BreakingDefense上發佈一篇美國防部的最新動態，標題就起得非常有意思：

“DIU plots hypersonic test plane, hoping to circumvent wind tunnel backlog”

DIU（美國防部國防創新部門）計劃高超音速試驗飛機，希望能繞過風洞問題

什麼意思？事情是這樣的，美軍有能力研製高超音速武器的高超音速風洞或者高超音速激波風洞數量太少，目前美軍急於突破高超音速技術的願望又非常迫切（美軍在高超音速技術上已經落後於中國至少5年以上），因此上馬了一大批高超音速飛行器研製計劃，結果這些僅有的風洞不是忙不過來就是遠遠達不到要求。

NASA 蘭利 8 英尺的高超聲速模型測試

因此DIU部門發出呼籲，要求新的高超音速武器研發降低對少數有能力的高超音速風洞的依賴，甚至讓高超音速飛行器直接裝機測試取得數據，DIU的一位發言人告訴是如下這樣表述的：

“缺乏高超音速風洞是一個問題，我們擁有的少數設施已被預訂。如果我們能夠降低空中飛行測試的成本，我們也許能夠縮短瓶頸並從實際飛行測試中獲得我們需要的數據”

這就像一個根本沒有學過駕照的學員直接上高速，確實有一些機會能成功，但風險實在是太大了，不僅不會節約成本，反而可能讓開支遠超預期，因為在高超音速下測試十分複雜，可能會造成多次摔機，甚至連數據都可能採集不全，這樣的操作是不是有點像各位熟悉的外行知道內行的時代？

也許可以這樣理解，對於中俄高超音速武器的裝備，美軍已經慌了，目前已經亂了招數，但高超音速武器的研發，只能從高超音速風洞着手，這是事情美軍專家才有發言權，而DIU這幫人直接就想要結果，這是違背科學規律的。

JF22風洞：領先全球20年！

2021年6月8日，《歐亞時報》就曾報道中國30馬赫測試環境JF-22風洞已經投入使用，《歐亞時報》援引《南華早報》的報道稱，中國研究員韓桂來在線講座時表示，位於北京懷柔區的JF22高超音速風洞，其能力將“領先西方約20至30年”。

據報道，JF22風洞使用化學燃料的爆轟式，其和JF12風洞的激波激發方式是一致的，據韓桂來介紹稱，JF-22風洞能夠最高速度（約30馬赫）的狀態下維持平均130毫秒的運行時間，相比之下美國最先進的LENS II（自由活塞結構）只能達到7~8馬赫並且只能維持30毫秒，兩者看起來數據差別還是挺大的。

不過《歐亞時報》的報道中援引了聖安東尼奧的研究人員和教授、高超音速和航空工程專家 Chris Combs的説法稱，30馬赫的情況下已經基本上在太空了，這個已經沒有意義，另外很多國家和地區的風洞都能達到20馬赫以上。

另外這位專家也表示，JF22的爆轟激波風洞中的爆轟化學反應將會改變風洞內的大氣成分，其成分將不再支持真實的大氣環境，其測試結果將無法代表飛行。

筆者在這裏説明下，無論是爆轟還是自由活塞或者高壓氣體，其驅動氣體和測試氣體都是隔離的，這位專家可能沒聽説過激波管嗎？還有各個腔室之間的隔離板？至少在測試採樣數據期間是可以保證測試氣體環境的，這位專家到底學沒學過激波風洞？

《歐亞時報》的記者儘管沒有找出這位專家描述中的漏洞，但也表示JF22風洞在30馬赫的高超音速下持續時間比全球其他類型的風洞要長得多，並且JF-22的測試腔室直徑很大，可以塞進很多真實尺寸的飛行器，看起來和JF12一樣是個復現風洞。

JF22應該是一個相當先進高超音速風洞，這個設施投入使用，會讓中國在高超音速技術上遙遙領先。另外JF22在民用領域也將很大的用武之地，比如未來的騰雲工程！

騰雲工程：水平起飛，直達太空！

2016年9月13日，新華網報道稱中國航天科工集團公司副總經理劉石泉日前在武漢舉行的第二屆商業航天高峯論壇上首次披露了“騰雲工程”的“空天飛機”計劃，這是一種可以執行航天發射任務，並多次重複使用的新一代天地往返飛行器，其飛行過程如下：

1、空天飛機可從地面機場水平起飛，在大氣層中加速爬升；

2、到達30至40公里高度時一二級分離，一級水平着陸返回；

3、二級繼續爬升進入近地軌道，完成運輸任務後再入大氣返回，具有廉價、安全、便捷、機動等優勢。

二級就是一架和“神龍”空天飛機差不多飛行器，大家可能不是很感興趣，因為媒體報道的太多了，但它的一級可能會讓大家相當驚喜，這架能到臨近空間的飛行器規模之大超出各位的想象：

1、基本參數：機體長度為80多米，總重量高達140多噸！

2、動力系統：發動機為六台渦輪基組合循環的渦輪火箭衝組合動力發動機，

3、起飛方式：和普通飛機一樣在機場起飛，

4、最高飛行高度：最大飛行高度3萬米以上，

5、最高速度：依託於渦火衝組合動力發動機，其最高速度可達7馬赫以上

所以，這架飛行器各位感興趣嗎？我國計劃是在2030年前首飛，也許JF22將會讓這個目標提早實現，筆者也對這架飛行器非常關心，因為它將可以讓中國實現真正的高超音速全球打擊，這個計劃實在有些宏大（完）

星沉大海種花家