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《经济日报》日前报道称,北京钱学森工程科学实验基地的JF12复现高超声速飞行条件激波风洞,从设计、加工、建造到调试均由中国人负责,在安装、调试、验收和获取试验结果流程中,均一次成功。该报道称,JF12以新颖的反向爆轰驱动方法为核心,集成五大关键创新技术,是首个具有独立知识产权、技术指标先进的高超声速风洞,为研制高超声速飞行器,提供了关键条件。

超级风洞里从北京到纽约只要两小时

风洞是能人工产生和控制气流,以模拟飞行器或物体周围气体的流动,并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备。这种设备可提供飞行器设计需要的基础数据,是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。先进飞行器在上天前,需要进行成千上万次风洞试验。

上世纪中叶,风洞大量出现,且种类繁多。按实验段气流速度大小来区分,可分为低速、高速和高超声速风洞。高超声速风洞又包括常规高超声速风洞、低密度风洞、激波风洞、热冲风洞等形式。风洞的规模与完善程度可以反映出航空航天科学技术的发展水平。目前中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞,JF12激波风洞是我国首个具有独立知识产权的高超声速风洞。

JF12激波风洞项目于2008年1月启动,是8个国家重大科研装备研制项目之一,耗资4600万元,2012年5月顺利通过验收。这是一个典型的自主创新的实验设备,以中国独创的反向爆轰驱动方法为核心,克服了自由活塞驱动技术的弱点,集成了五大关键创新技术,设计、加工、建造及调试工作均由中国人负责,安装调试工作历时两年,取得了一次性安装、调试、验收合格、获得试验结果的成就。

JF12激波风洞主体为半人多高、金属质地、时粗时细、隔一段换一种颜色的“金属长管子”,在国际同行眼里是个“超级巨龙”,265米的管长使之得以提供较国外同类风洞更长的实验时间。据中科院力学所JF12激波风洞研发团队负责人姜宗林介绍,在建造主体时,JF12项目组首创了超高压、大口径合金钢管设计技术和超高压爆轰段夹膜机设计技术,并与北方重工合作突破了高强度合金钢管大口径深孔加工技术。

据介绍,JF12激波风洞整体性能优于国外同类产品,可复现25至40公里高空、5到9倍声速的高超声速飞行条件。姜宗林称,“高超声速发动机需要的实验时间至少需要60到70毫秒,我们已经能做到100毫秒,国外的相关风洞大约为30毫秒。我们的喷管直径可达2.5米,实验舱直径3.5米,都明显优于国外同类风洞。JF12激波风洞里的‘风’,速度最高可达Ma 9,温度可达3000摄氏度左右,真可以说是个‘超级风洞’。Ma 9意味着,从北京到纽约的飞行时间,可以由现在的14小时缩短到2小时。”

研发高超声速飞行器离不开超级风洞

风洞代表了一个国家的航空航天基础研究水平,是飞行器的“摇篮”,一架飞机的发动机、气动布局,必须在风洞里进行成千上万次试验后才敢上天。高超声速风洞是指风洞实验段气流的马赫数M在5至14之间的风洞,JF12激波风洞马赫数则在5到9之间,这种风洞主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。中国研制9倍音速风洞,明确表示目前对空天飞行器和高超声速导弹的研制需求,因为普通火箭即便没有9倍音速风洞也可以研制。

如果高超声速技术用于航天领域,就能够使航天飞行器实现重复使用,届时太空天地往返费用将降至目前的千分之一;如果用于航空,目前的超声速飞机将被高超声速飞机所替代,这种飞行器超过5倍声速,两小时内可全球到达。但高超声速飞行器的超燃发动机研发却是个大难题:马赫数达到9时,对于飞机发动机点火而言,就像在龙卷风中点燃一根火柴,还要保证它持续燃烧。

据姜宗林称,要突破吸气式高超声速空间飞行器的关键技术,就需要进行大量地面实验,风洞气流要满足马赫数8(即8倍声速)以上速度,而且兼有大尺度和模拟发动机燃烧的一体化实验能力。JF12激波风洞堪称迄今为止世界上性能最先进的高超声速气动试验装置。姜宗林指出,利用该风洞就能够复现“龙卷风”的状态。

姜宗林还指出,JF12激波风洞为我国重大工程项目的关键技术突破和高温气体动力学基础研究提供了不可替代的试验手段。高超声速科技是航空航天领域的高新技术,关系到国家安全和国际战略格局,是世界各个航空航天大国竞相研究的热点,而高超声速飞行器的研发离不开风洞这个“摇篮”。

据航空专家宋心之介绍,6倍音速以上的高超声速飞行,常规的喷气式发动机已经难以支持。宋心之还介绍,与火箭发动机相比,它无需携带很重的氧化剂,和普通喷气式飞机类似,吸入空气充当氧化剂,与自身携带的燃料进行反应。目前主流高超声速飞行器项目,都选用了冲压发动机。据介绍,这种发动机属于吸气式发动机,其工作原理是:首先通过进气道将高速气流减速增压,在燃烧室内,空气与燃料发生化学反应,通过燃烧,最终气体经过喷管膨胀加速,排入大气。此时喷管出口的气体速度,要高于进气道入口速度,因此产生了向前的推力。

“以往的高超声速飞行器,多以火箭为动力,但火箭的‘饭量’大得吓人。”宋心之介绍说,美国“大力神”火箭向近地轨道运送13吨载荷,竟要消耗燃料600吨以上,其中,氧化剂占了大头。而冲压发动机飞行器本身仅携带航空燃料,可要‘勤俭节约’得多了。”因为无需携带氧化剂,冲压飞行器的航程比火箭更远、可携带更多的载荷。目前,拦截超过5倍音速巡航飞行的导弹,还是不可能完成的任务;可见,高超声速的冲压飞行器在战场上有着巨大威力。

中国海空军加紧研发“超级导弹”

据介绍,研制高超声速飞行器能够大幅度提升打击反导系统的导弹武器的能力。高超声速飞行器可在大气层中以弹道导弹的速度飞行,但与后者不同的是它的飞行轨迹很复杂并难以预测。不过,高超声速武器在非核武器上的利用潜力更大,这种武器能够对世界任何地区实施瞬间和高精确打击。沿复杂轨迹飞行的高超声速巡航导弹比弹道导弹更难让敌方反导系统拦截,同时前者还拥有更高的精确性。高超声速导弹在量产后也许比弹道导弹更廉价。

借助JF12激波风洞,中国正大力推进高超声速武器研制。“俄罗斯之声”电台援引美国公开资料称,中国超音速飞行器的研制工作规模庞大,至少包括空天飞机和高超声速巡航导弹两个方向。报道还认为,2011年由轰-6轰炸机发射并已完成亚轨道飞行的无人空天飞机“神龙”(863-706计划)可能就是飞行试验的继续。

据介绍,由成都飞机设计研究所(611所) 研制的“神龙”空天飞机结构类似于X-43无人机,用氢作燃料,而把空气中的氧作为氧化剂。“俄罗斯之声”报道认为,中国“神龙”无人空天飞机可用于军事目的,包括作为打击工具。另据美国海军战争学院教授安德鲁·埃里克森和吉伯·柯林斯介绍,从外形来看,“神龙”空天飞机体积似乎小于美国的X-37B空天战机。基于可得到的照片,估计机身高约1米,长5-6米,它可能仅是X-37B空天战机体积的1/3左右。

他们认为,“神龙”空天飞机似乎(至少)是一个技术发展/验证计划,该计划的成功有两个重要战略意义:其一,这意味着中国空天项目已经向具备制造航天飞机能力上又迈近了一步;其二,空天飞机拥有一系列常规发射器不具备的能力:可重复使用,负载也可根据任务而改变。这些特点带来了多用性,可以节省一部分资金,尤其是执行侦察任务时。

“俄罗斯之声”报道还称中国有可能会在为自己的弹道导弹制造新一代弹头时将采用高超声速技术。报道指出,虽然美国反导系统有限,但仍然能够对规模过小的中国核武库造成很大威胁。因此,研制应对敌方反导系统的手段就具有头等意义,在这种条件下利用高超声速弹头是最有效的。

事实上,早在1997年5月,解放军海军就提出了要发展马赫数为8的高超声速巡航导弹,同年9月又提出了高速打击导弹(HiSSM)计划,旨在研制一种平均速度为6马赫、最大速度可达8马赫、射程达960公里的导弹,这种“超级导弹”能为海军提供快速打击较远距离目标的能力,以比现用系统更低的费用完成同样的任务;解放军空军也有自己的高超声速技术计划,旨在探索研制速度达8马赫的高超音速巡航导弹的可能性,预期的射程在1200公里以上。

未来战争将进入“高超声速时代”

与刚有起色的中国高超声速武器项目不同,俄罗斯与美国已在高超声速飞行器制造领域展开了一场名副其实的竞赛。据推测,俄罗斯洲际弹道导弹上安装的新一代核弹头就属于高超声速飞行器。据推测,采用它们原则上可以让俄罗斯战略核力量免受美国反导系统的威胁。

据称,俄罗斯提速高超声速武器系统的研发,完全是受美国的刺激。美国的超高声速导弹研究将在2015至2018年间从演示用原型样机阶段转入实用化的多用途高超声速导弹研制阶段。

《北京晚报》的报道认为,尽管高超声速武器面临诸多技术难点,但是一旦取得突破就会给战争形态带来翻天覆地的变化,甚至会把战争带入到“读秒”时代。即使不考虑军事上的作用,高超声速相关技术对航空航天领域的带动也是极为明显并有可能改变人类利用天空和太空的手段,从而带来巨大的经济利益。除了美国之外,也有国家投入巨资加入到这场高超声速武器的竞赛中。

高超声速风洞是指风洞实验段气流的马赫数M在5~14之间的风洞。

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