超高音速风洞有什么用？

在刚刚结束的珠海航展上，难免有观众表示还不够过瘾，其最大原因恐怕还是期盼多年的国产隐身战略轰炸机还是只闻其声不见其面。然而另一则微博热搜新闻却让无数关注者遐想不断，该消息称国产的JF-22超高速风洞预计将在2022年建成。

 

作为航空航天大国，就必须有先进配套的风洞设备，因为任何一种飞行器的气动布局设计，都要在风洞内接受测试。而风洞按照规模和用途划分，不但包括小型和大型，而且还包括亚音速、超音速和高超音速等，而即将量产的JF-22，就属于技术含量最高的高超音速风洞，其意义不亚于量子计算机、北斗导航以及国产空间站等国之重器。

 

目前世界第一的是美国LEN-X风洞，它也是目前唯一能满足30马赫状态测试的风洞，而美国也得以借此在2011年成功测试了1架速度20马赫的无人飞行器；紧随其后的则是俄罗斯的AT-303风洞，它能满足8-20马赫状态的测试。而JF-22风洞的测试速度不低于35马赫，这不但意味着中国将在此领域超过美俄，也将意味着全新概念的空天一体武器不再是梦。

 



▲美国的LEN-X风洞曾是唯一满足30马赫测试条件的风洞

 



面临瓶颈，中美两军都要另辟蹊径

 

目前，中国的战略轰炸机方面较为薄弱。虽然轰-6系列通过不断升级，总体性能得到了很大改观，但这种平台本身的日趋落后也是不可回避的，考虑到未来对手的多层立体化防空网，轰-6甚至图-160都很难有效突防。对解放军来说，短时间利用现有技术成就提升空基战略反击能力，才能让自身核威慑的效果最大化。

 



▲目前中国依旧缺乏隐身的战略轰炸机

 

美军也有难念的经，F-35虽然号称高科技综合战士，但这也意味着其专一的制空能力严重不足，面对非隐身战机时尚能依靠代差优势维持较好交换比，但面对歼-20这样制空属性较高且隐身能力有过之无不及的对手时，就很可能甘拜下风，更不要说F-35还存在一些软硬件方面的技术隐患。

 

而与歼-20体量近似的F-22则改进潜力低，无法满足多位一体信息作战的需求，对大局的影响趋于降低。考虑该机的生产线也已关停多年，而现有的F-22不但少，而且保养难度很大，这难免进一步制约了其发挥余地。在战略轰炸机方面，目前美国除20多架依旧具有技术优势的B-2外，就只有数十架明显愈发过时的B-52系列和B-1B了，在B-21正式形成战斗力前，就难免青黄不接。 

 



▲除B-21外，美国还打算发展空天战机

 

综上所述，中国要达成战略反击威慑效果的最大化，并通过思维变换的方式弥补双方空天战实力差距；而美国则竭力试图重现昔日空天战技术领跑者的抢先跨代优势，才能保证其多年来的远东大战略能够如其所愿。所以性能上完成彻底飞跃的新一代空天作战飞行器，自然成为中美两国同时需要重点发展的目标。

 



五代机有何特点

 

近年来，美国空军多次就五代机开发进行技术讨论会，它们认为五代机必须配备种类繁多的武器，除大量导弹外还包括激光和近地轨道用的动能武器，而且还要配备内部袖珍火控计算机指挥的激光武器防御系统。在隐身能力方面，则必须在B-2模式的基础上（即面向搜索波段和火控波段在内的多频段雷达都保持良好隐身性能）全面升级，兼顾防御红外/射频探测。其机载雷达则应当配备多功能射频系统，进而在同时间内的效率上以几何倍数碾压F-35。 

 



▲美国五代机可能在2030年前后试飞

 

相比于歼-20或F-22，五代机的最大升限、速度、航程以及超音速巡航能力也要大幅提升，美军甚至希望其未来战机能够全程不开加力的状态下达到超音速巡航（而F-22则只能维持半小时左右的超音速巡航）。为此，普惠和通用电气各自推出一种全新的变循环发动机，目前它们都已进入地面试车阶段，其原理是根据不同飞行状态改变发动机工作方式甚至内部结构进而维持最佳状态。

 

2020年底，歼-20设计团队也阐述了下一代战机的设计要求，其基本要求和美国同类十分类似，外观接近于变形版的歼-20，但主翼面积提升很多，而且变更为菱形平面，并在机体后端插入可以上下大幅度调整的全动尾翼。在近距离格斗时，它会形成三翼面布局进而强化机动性；起降时则会回到鸭翼布局以提升低速升力；高速巡航时则会兼顾速度和隐身性而再度调整。同时，国产六代机可能还会具有两部轴对称全向矢量尾翼喷管，为此垂直和平行尾翼都可能被取消。 

 



▲在可变循环发动机发展上，中美差距相对有限

 

中国的可变循环发动机方面与美国等传统航发强国一样，都处于相对起步阶段，因此不同于涡扇喷气发动机领域那样差距明显，对一直追求彻底弥补动力差距的中国而言，必然是优选发展方向。而纵观双方的设计，都不难发现变循环发动机将极大协助多元矢量喷管，进而弥补布局对飞控带来的不利影响。

 

综上所述，未来面向低轨高度和超远距离环境的五代机，将会在体积和重量上明显放大，因此在设计定型时，自然也就需要高性能风洞的协助。从这一点来看，五代机竞争的选手基本上只剩下中美两国，这几乎和今天隐身战斗机领域的发展趋势别无二致。

 



▲未来国产五代机的体积很可能远大于歼-20

 



从零开始，中国风洞发展逐步成型

 

一台风洞主要包含洞体、驱动系统和测量控制系统，而这些子单位的性质也会因风洞本身用途和种类有所不同。在航空航天工程中，技术人员会把大比例模型甚至实机固定在风洞内，并按需要选择对应强度的气流，使其吹过被测试目标。由此，即可在安全且低成本的反复操作条件下高度真实地还原某种航空器在不同温度、气流和高度的环境下飞行的情况，为此风洞本身还要频繁接受各种检查。 

 



▲早在活塞发动机时代美国的风洞就开始快速发展

 

现代意义的风洞最早起源于19世纪后期的英国，随着20世纪上半叶航空技术的快速进步，一些航空强国的风洞也得到了快速发展，甚至中国最初的风洞也在1936年试验成功。然而进入冷战时期，一些昔日强国相继躺平，航空航天业很快形成美苏争霸模式，随着喷气机技术的发展，超级计算机和风洞的技术也得到长足进步。这主要是因为军用航空航天器对风洞有很大的依赖性，例如美军的B-52战略轰炸机定型前，就接受了上万小时的风洞测试。

 

新中国成立后，坚持技术尽可能自主的基本原则，所以尽管在此方面技术积累在他国看来几乎为零，但中国还是竭力攻关风洞领域。上世纪50年代时，北京航空航天大学联手北京航空材料研究所，成功研发了超音速风洞。1960年2月，中国首座超音速风洞FL-1最终在沈阳空气动力研究所投入使用，由此数以百计的产品在这个风洞内进行了数万次测试。而随后推出的FL-9风洞又成为国内首座自行研发的大型低速增压风洞，这也是世界上第三座同等量级的风洞。 

 



▲中国风洞的快速发展也催生了多种经典战机的定型

 

1971年，中国最大的闭口回流式低速风洞在四川绵阳的中国空气动力研究与发展中心完成调试。到了1997年，该所又完成了亚洲最大的跨音速风洞，该风洞主体结构长66米，宽33米，试验截面为2.4X2.4米。该风洞还采用当时国内最新技术，可以高度模拟真实飞行状态，堪称中国航空航天器动力研究的里程碑，也标志着中国最终在该领域跻身世界先进之列。而中国空军多种经典战斗机，例如歼-10和飞豹系列，也最终在上万次风洞测试的基础上走向成功定型。

 

目前，中国已完成了数十座之多的各种风洞，其种类之全面和规模之大，几乎完全可以与美国相比。然而这并不意味着中国风洞之路一帆风顺，和很多尖端技术一样，中国受到了发达国家长期的技术封锁，以核心装置压缩机为例，当时世界上只有三个国家能研发连续式跨音速风洞压缩机，而它们均拒绝了中国的购买要求，最多能提供设计技术方案，而且为此漫天要价。

 



▲搞定31个技术难点，才有FL-62风洞的成功

 

这些国家认为，中国不可能自己搞定。然而它们始料未及的是，一支百余人的中国技术精英团队却通过七年的艰苦科研，搞定了31个技术难题，研发可吹出1.6马赫的压气机，这才让FL-62风洞“活”了起来。FL-62风洞的意义就在于让中国大型风洞从脉冲道连续跨越，其风洞流场的质量、实验数据和效率都达到了国际一流级别。而它的8万千瓦主传动压缩机、电机和变频器等技术更是填补了原先多年的技术空白。

 



JF-22风洞是关键

 

如今，五代机和高超音速武器成为愈发火爆的关键词，而此类飞行器的技术含量可想而知。它们在飞行时表面温度会迅速攀升甚至接近两千摄氏度左右，此时其周身附近的氧分子和氮分子甚至可能变成离子状态，最终严重影响飞行器的安全稳定。所以就算飞行器的动力系统再先进，也必须经过风洞内的反复试验，而激波风洞，就是高超音速飞行器的真正摇篮。 

 



▲中国激波风洞有今天的成就，离不开这些科学巨匠

 

中国的激波风洞研发同样起源于建国后初期，当时钱学森和郭永怀两位在两弹一星项目上做出巨大贡献的科学巨匠挑头，并得到了中科院力学研究所的鼎力协助，最终建立了国内第一支专门研发激波风洞的技术团队。数十年后的2012年，就在FL-62风洞的研发披荆斩棘的同时，中国的激波风洞也取得了实质性发展：JF-12风洞就成为了东风-17高超音速武器的“摇篮”。

 

JF-12风洞可以复现最大9马赫的飞行条件，并可以将这种条件维持100毫秒，相对于此前的国内外同类激波风洞，JF-12的综合性能有了巨大进步。借助JF-12，中国航空航天业得到了进一步的技术支撑。2018年3月，JF-22风洞项目正式启动，这种标志着中国在领域内实现世界领跑的风洞不但将用于高超音速飞行器的研发，还将进一步参与新一代天地往返系统的研发计划。

 



▲JF-12激波风洞极大助力了中国航天

 

当JF-22风洞完成后，中国的激波风洞就将彻底覆盖高超音速领域。根据介绍，JF-22不但能覆盖20-35马赫速度段，而且还能模拟40-80公里高度范围，而这一高度已经进入了地球临界飞行高度。毫无疑问，JF-22的测试对象，就是真正的空天一体飞行器，歼-20和东风快递就有了实力呈等比模式放大的后继者！

 



▲JF-22激波风洞将覆盖更大高度和速度段的测试环境

 

这样逆天的军用飞行器意味着什么呢？

2020年底美国海军借助本土指挥中心遥感指挥，成功拦截了一枚模拟的洲际导弹，而美国空军的一系列反隐身机电子/红外侦测设备也已相继部署于西太平洋区域，因此西方才会有所谓胜算在握的想法。但根据其拦截极限来看，根本无法对付如此高度下的超高速目标，更不要说这样的目标还有远超过歼-20的综合隐蔽能力。这样一来，无论是其本土的大型反导基地，还是海基战略打击中心，都会在其猝不及防中遭到毁灭性一击。

 



▲未来35马赫的全新空天战机可15分钟飞到美国

 

从无到有，从弱到强，逆境中孤独顽强地生长，最终震惊世界。曾几何时，那些传统发达国家张口中国不可能，闭口中国不配，直到事实一次次对其进行强力打脸。从这个角度来看，先进风洞等中国式奇迹，也真的要“感谢”对方的蛮横和冷漠。