2024年9月,我国在太平洋公海海域,发射了一枚东风31AG洲际导弹。其1.2万公里的射程,瞬间震惊全球。
发射项目完毕以后,美国想通过日本,向中国申请30马赫风洞的使用权。面对美国的申请,我国直接开价50亿美元。由于双方理念不一,最终这一交易并未达成。
而这一事件的结束,也揭示着中国风洞技术走向了一个新台阶。话说风洞技术究竟有何魅力?我国在这一领域又取得了哪些成果?
为什么造飞机一定要有风洞?
关于我国在风洞领域取得的最新进展,无疑就是JF-22超高速风洞了。
JF-22,也叫爆轰驱动超高速高焓激波风洞。该项目于2018年启动,最终在2023年5月实现竣工。
风洞造好后,其实验气流速度,可以达到3-10公里/秒,也就是人们口中所说的30马赫。在这种情况下,那些导弹、飞机等,就能在风洞环境中进行极限测试了。
那风洞和导弹测试究竟有什么关系呢?在此之前,咱们先来了解一下什么叫风洞?
所谓的风洞,指的就是风洞实验室。一般来讲,它的形状是个管道。在这个管道内可产生高速气流,从而模拟高空环境。
在此期间,科学家可以选择食物,在管道中进行试飞,比如飞机试飞、导弹发射等。待数据采集完毕以后,这些飞行器就能上天了。
这时候可能有人会问了,直接把飞机开上天测试不就好了?为啥非得弄个风洞?岂不是多此一举?
严格来讲,直接开飞机上天,虽然不会发生模型和环境失真问题,但其实验成本较大,而且实验环境难以控制。长此以往,势必会酿成巨大损失。
但风洞不一样,有了风洞以后,就能降低试验成本,想试多少次,就试多少次。在这种情况下,飞机的测试数据就大大增加了。
可见,风洞的诞生,就是为了节省飞行器研发成本而考虑的。
从木箱到超音速风洞
说完了建造风洞的初衷,咱们再来聊聊风洞的研发史。
早在1871年,也就是清朝同治年间,英国人韦纳姆就建成了世界上第一个风洞,即一个两端开口的木箱。这木箱就跟农村吹谷子的风车一样,主打的就是一个灵活。
韦纳姆将其建好后,直接用其测量物体与空气相对运动时受到的阻力。虽然测量数据不怎么精准,但放在那个时代已经算是很高端了。
1901年,莱特兄弟为了建造飞机,也设计了一个正儿八经的风洞,其风速高达10-15米/秒。而这具风洞的出现,也为发明世界上第一架飞机,做出了巨大的贡献。
当然了,以上的那些风洞,基本上算是小打小闹、粗略制造。真正意义上的风洞,是在两次世界大战期间才诞生的。
那时候的美国、苏联、欧洲,都对亚音速和超音速武器,有着迫切需求。比如飞机、炮弹、导弹等,都是各国竞相研制的标配装备。
为此,这些国家就需要打造大型风洞,来给武器研发提供测试空间。
1932年,瑞士的阿克雷特为了测试炮弹动力,打造世界上第一座超音速风洞。该风洞的速度达到了2马赫,一度震惊全球。
自此,各国便在风洞这个赛道上,展现了疯狂的角逐。
比如在1956年,美国也打造了一款超级风洞,其速度达到了4马赫,功率高达16万千瓦。这一风洞的出现,给美国的风洞研发打下了基础。
两年后,美国航天局迎来技术大爆发。利用这些技术,美国直接打造了一款速度为18-22马赫的超级风洞。如此一来,美国在风洞这块领域就处于遥遥领先的状态了。
当然了,这也得得益于世界人才的汇聚,才让美国的风洞造了出来。
那时候,全球经历两次世界大战,欧洲无数人才流亡美国,包括爱因斯坦、玻尔、费米、冯•诺依曼等。而他们的到来,无疑就催生了美国顶尖科技的发展。
当这些科技纷纷迭代的时候,美国的风洞技术就开始甩苏联好几条街了。
风洞的其他用途体现在哪?
说到这里可能很多人会问了,建这些风洞到底干嘛?难道只是为了科技争霸?
其实风洞的用途多得很,像飞机、导弹这些东西,自然不用多说。没有风洞的话,这些工具压根上不了天。
除此之外,像汽车模型,也得依赖风洞的测试。有了风洞测试以后,汽车就能合理修改形状,进而使空气阻力减小。
像大众集体,就建有自己的私人风洞。
利用这一风洞,大众能让测试环境的空气温度保持在-30到45℃,湿度保持在5-95%,其最大风速也可达到180km/h。在这种情况下,汽车就能进行完美测试了。
除了汽车行业以外,像大桥、电视塔、水坝、高层建筑等,也得进行风载荷试验,从而提高建筑物的风抗稳定性。
此外,像那些大型工厂、矿山群等,也要做风洞实验,这样就能测试是否会产生污染物的扩散。
可见,风洞的作用确实覆盖颇多。如果没有风洞的话,很多行业大概率激活不起来。
中国风洞的筚路蓝缕
这时候可能很多人又会问了,既然风洞技术这么厉害,那我国在这方面的发展咋样?
严格来讲,我国早在上世纪30年代的时候,就开始鼓捣风洞这个玩意儿了。比如在1936年的时候,清华大学的一班子人,就设计了我国的第一款风洞。
然而,还没过多久,抗战就爆发了。一时间,许多知名大学纷纷搬到了西南、西北等地。由于战乱不断,导致我国的风洞研发进程,陷入了停滞状态。
这一停,就是14年。直到建国以后,我国才重新启动了风洞建设。
只不过,项目虽然启动了,但要想实施起来,难度还是挺大的。当时做风洞测试的时候,机器每运行一个小时,就要烧点10万多度电。
像这样夸张的消耗,除了美国、苏联以外,哪个国家承受得起?所以我国为了节省资源,只能另辟蹊径。
在这个破局的关键时刻,一位名为俞鸿儒的气体动力学家,参与了这场风洞研发大战。俞鸿儒根据我国当时的国力,设计出了氢氧爆轰驱动法。
按照相关人士的描述,所谓的氢氧爆轰驱动法,就是将氢气、氧气混合爆炸,从而产生8000度的高温。在这种情况下,就能使风洞流速达到超音速了。
当然了,这种方法虽然挺猛,但风险也挺大。在实验期间,俞鸿儒团队就差点把实验室给炸了。
好在俞鸿儒的三个导师——钱伟长、郭永怀、林同骥,都对俞鸿儒报以了理解和支持,这才让他继续做下去。不然的话,估计我国的风洞研发又得推迟好些年。
1969年,经过一阵“炸来炸去”的研发,俞鸿儒团队终于打造出了JF-8激波风洞。从性能上来看,该风洞已经达到了国际中等水平。而造价这块,却只有8万人民币。
所以综合来看,我国的JF-8激波风洞,在性价比上已经达到了国际领先水准,主打的就是一个物美价廉。
像那时候的东风五号导弹,就曾在这些风洞中测试过。可见,这块纯国产的JF-8激波风洞,确实已经达到了上岗就业的地步。
JF-12和JF-22后来居上
既然咱们的风洞实现了从0到1的突破,那接下来的事儿就好办了。很快,我国各式各样的风洞纷纷登场,将无数的航天器送上了高空。
在此期间,俞鸿儒还带出了个一个好徒弟——姜宗林。而这位宗门天骄,也成为了第三代“风洞人”的典型代表。
姜宗林师承俞鸿儒后,直接朝着JF-12激波风洞发力。而后面取得的成果,也展示了姜宗林的真才实学。
在速度方面,JF-12激波风洞可以达到9马赫。
很多人可能不清楚这是啥概念?要知道,同时期的美国风洞,也就是用来测试X-51“乘波者”无人机的那座,速度也才7.5马赫。
除了速度以外,在测试时长这方面,JF-12激波风洞也是出类拔萃。
美国当时最先进的风洞,测试时长只有30毫秒,而JF-12风洞的测试时长,则达到了130毫秒。如此看来,中国风洞已然在全世界鹤立鸡群。
当然了,关于我国风洞的顶级杰作,无疑是JF-22风洞了。
正如前面提到,该风洞的速度达到了30马赫,最快可达10公里/秒。其内部飞行器的尾焰喷起火来,轻轻松松就能烧穿钢板。
按照专业人士的说法,这种环境中模拟出来的速度,已经超过了第一宇宙速度,即7.9公里/秒。无论是测飞机、导弹,还是测火箭、宇宙飞船,都能做到游刃有余。
像咱们的六代机、东风31AG、长征五号等,为什么能上天?毫无疑问是沾了国产激波风洞的光。
可以说,国产激波风洞,既是大国崛起的垫脚石,也是小民尊严的代名词。当它诞生的那一刻起,中国的科技实力就已经在勇攀高峰了。
当然了,这一切的一切,也得归功于老一辈科学家呕心沥血的付出。要不是他们的坚持,我国的风洞技术也不可能取得长足的进步。
这些科学家就像栽树人一样,通过日积月累的耕耘,铸就了我国现在庞大的科技产业。
让我们向老一辈科学家致敬!正是他们的执着和毅力,指引着我们在科学的征途上不断前行,越战越勇!
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