高超音速风洞：先进飞行器“摇篮”

高超音速风洞：先进飞行器“摇篮”

■冈敦殿

风洞试验对于飞行器的研制至关重要，可以说风洞是各类飞行器的“摇篮”。高超音速飞行器的飞行速度超过5马赫，突防能力强，被称为“大国利器”。要设计高超音速飞行器，需要气动力、气动热等关键数据作为支撑，风洞试验就是这些数据的主要来源。

美国国家航空航天局下属格伦研究中心的高超音速风洞。

2024年11月，美国圣母大学宣称“研制出国际首座气流速度超过10马赫的静音风洞，将用于支撑美国高超音速飞行器等先进武器装备研究”，并举行设备启动仪式。据悉，该风洞的研制获得了美国国防部和美国空军的支持。

大国竞相研发

风洞是依据相对运动原理和一定的相似准则，在地面以人工方式制造高速气流，使其流过飞行器模型，据此开展实验测试的管道状设备。风洞种类繁多，按照不同气流流向、气流速度、实验时间、功能用途和形状尺寸等，可以分为不同类型。其中，根据试验段气流速度（马赫数）范围划分风洞，马赫数小于0.3的风洞为低速风洞；大于0.3小于0.8的为亚音速风洞；大于0.8小于1.2的为跨音速风洞；大于1.2小于5的为超音速风洞；大于5的为高超音速风洞。

高超音速风洞专门用于模拟高超音速飞行条件，对航天飞行器、中程弹道导弹、运载火箭等高超音速飞行器进行测试，确保后者在实际使用中具备较高的可靠性和优良性能。按照运行时长不同，高超音速风洞又分为脉冲式和暂冲式两种，脉冲式风洞的稳定运行时长一般为毫秒量级，暂冲式风洞的运行时长在数秒至数十分钟。另外，高超音速风洞运行时需要通过一定途径使气体温度升高，确保气流在试验段不会发生冷凝。通常，高温高压气体经过收缩扩张型喷管膨胀加速到高超音速。

从发现新现象、研究流动机理，到提供飞行器设计所需的气动力、气动热等数据，高超音速风洞试验至关重要，一些国家为此建立了多型高超音速风洞设备。

美国是当今世界上拥有高超音速风洞最多的国家之一，美国国家航空航天局下属机构、国防部下属机构和一些商业机构都建有数量众多的高超音速风洞。在过去60多年间，美国高超音速风洞在其高超音速计划中发挥了重要作用。例如，美国航天飞机计划先后进行了700多项地面模拟试验，试验总时长达7万多小时；X-43A、X-51A等高超音速验证机试飞也与大量地面试验密不可分。俄罗斯也建有多型风洞设备，主要集中在俄罗斯中央流体动力研究院、中央机械研究院等单位。

几处典型风洞

美国空军阿诺德工程发展中心9号风洞，主要用于临近空间高超音速飞行器和跨大气层飞行器的气动力地面试验。其气流速度在6至14马赫之间，喷管口径1.5米，运行时长为0.5至15秒，2016年升级改造后气流速度可达18马赫。美国航空航天局下属格伦研究中心的HTF高超音速风洞，能够模拟5至7马赫的高超音速气流。

日本国家航天实验中心（角田）HIEST风洞是一座激波风洞，具备喷管口径大、试验时间长等特点。该风洞的最高总压达150兆帕，喷管口径0.8米，稳定试验时长在2毫秒以上，可模拟的气流速度范围为8至16马赫。

俄罗斯中央机械研究院U-12风洞，可模拟的气流速度为2至20马赫，可按照常规激波管方式运行，在激波管中产生强激波，强激波将试验气体加热到高温状态，也可按照下吹风洞方式运行，但试验时间较短。

未来发展趋势

随着航空航天、军事等领域对高超音速飞行器的性能要求不断提高，高超音速风洞的技术指标也不断提升。这包括提高风洞的实验段马赫数范围、气流温度和压力等参数，以模拟更为真实的高超音速飞行环境。同时，这也对风洞的流场品质、测量精度等提出更高要求，以满足更精确的实验需求。

从目前的技术发展看，静音风洞是未来高超音速风洞的发展趋势之一。静音风洞能够模拟出逼真的高超音速飞行环境，提高实验数据的可信度。不过，静音风洞的发展也面临诸多挑战，包括高昂的建设和运行费用、技术难题等。各航空航天大国都将静音风洞列为重要发展方向之一，美国圣母大学风洞即为一型静音风洞。