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导读：风洞，被称为飞行器的摇篮。同时，风洞实验也是模拟高速飞行器的关键步骤，风洞实验室的建设是航空工程研究中心最为复杂、最有挑战以及风险最高的项目……

风洞飞行器测试示意图

目前，我国已经建成了一座工程应用型的高焓膨胀管风洞，最大气流速度可达33.8马赫，满足我国研制下一代航天飞行器所需要的高焓环境模拟。

一、神秘的风洞究竟是什么？

1.风洞

风洞，也被称为风洞实验室，是一种能够模拟飞行器周围气流的管道状装置，通过分析气流对飞行器的作用效果，可以进行飞行器的设计分析和优化。从导弹、各型飞机，载人飞船，再到磁悬浮、和谐号高铁，均有着它的身影，国之重器的缔造者名副其实。

2.膨胀管风洞

1962-1964年，我国研制JF4A反射型激波风洞，它采用氢氧燃烧加热氢、氮和水汽混合气体作为驱动气体，通过产生的高温高压驱动被驱动气体。膨胀管风洞，是指利用气体非定常膨胀加速原理来获得高马赫数、高焓的实验气流的风洞。相比于反射型激波风洞，膨胀管激波风洞在此基础上增加了膨胀加速段，实验气流的马赫数与焓值有明显的增加，具有更低的离解度，膨胀管激波风洞能够产生更高马赫数、高焓值。

3.自由活塞驱动膨胀管风洞

根据驱动方式，风洞可划分成常规驱动轻质气体驱动、加热轻质气体驱动、燃烧驱动、爆轰驱动以及自由活塞驱动。其中，自由活塞驱动技术成熟，能够获得更高的焓值， 结合现有的技术成熟度等客观条件， 膨胀管风洞宜采用自由活塞驱动技术。

二、风洞的关键技术有哪些？

1.活塞驱动技术

活塞驱动能够进一步提升膨胀管风洞的驱动力。其中的工作原理是：活塞驱动端为高压空气端，通过控制高压空气的释放就能驱动活塞进行运动，活塞由左向右运动过程中，就完成了驱动轻质气体的压缩。该过程高压空气的内能先转化成活塞机械能，机械能再转换成轻质气体机的内能。

活塞驱动示意图

活塞在压缩过程中需要耐高温和高压，这就要求活塞的设计满足相应的应用条件。在减速过程中需要克服超大的减速惯性，这对其强度提出了进一步要求。因此，活塞材料设计非常关键，需要选择具有高强度和高可行的材料，常见有不锈钢、铝合金等。同时，活塞设计还需要考虑进行防撞设计，在压缩终了，活塞以一定的速度与活塞压缩管底部以及夹膜环碰撞。因此，活塞头部需要采用防撞结构设计，通常采用聚氨酯材料作为头部材料，该材料具有一定缓冲特性，并且能够保证良好的强度。

自由活塞驱动结构示意图

2.膨胀管加速技术

膨胀管加速技术采用了多级、分次加速方法。经活塞驱动的轻质气体达到一定压力，控制第一道膜片破裂，形成第一道激波，进入至激波驱动段。第一道激波使低压端中气体温度和压力升高， 产生第一次加速， 此后激波通过全部试验气体后击破第二道膜片形成第二道激波， 进入激波被动驱动段。第二道激波促使被动驱动段内气体温度和压力升高，产生第二次加速，达到一定压力击破第三道膜片，激波进入膨胀加速段，使试验气体第三次加速， 在加速同时试验气体的温度、压力亦随之下降。

经过三次依次加速，试验段内气体具有很高的速度和较高的焓值，从而具备模拟飞行器气流状态。此外，由于膨胀管风洞在试验段前增加了喷管， 扩大了膨胀管的试验流场均匀区，并在一定程度上延长膨胀管的试验时间。

膨胀管风洞结构示意图

三、风洞的实际应用有哪些？

1.超高速导弹

导弹已经成为现代武器装备的主要攻击手段，反导系统是目前应对导弹攻击主要防御手段，若导弹速度超出反导系统的反应时间，那么导弹将会成为无法拦截的武器，其威胁能力呈指数级上升。在导弹的研发设计中，风洞能够为导体的超高速飞行提供设计支持，模拟超高速下导弹的飞行姿态，从而验证先进的导弹外形设计理念。在未来导弹技术发展中，优化弹头外形和增加单翼，不断地提升速度，增强其机动灵活性，突破现有的防御机制，部署于各种作战平台，真正做到指哪打哪，弹无虚发。

超高速导弹概念图

2.下一代战机

在战机领域，最著名的就是B2轰炸机，其扁平状外形就是先进空气动力学成果的结晶，而在下一代的战机发展中，实现超音速，突破敌方的防空识别，是关键的研究方向。风洞实验室能够模拟更高的声速，也就为下一代战机提供设计和验证支持，探寻更优的外形和翼型，为未来战机提供新的技术支持。

美国B2轰炸机

3.航空航天飞船

航天技术水平是一个国家技术实力的象征，而提升航天飞船速度，缩短天地往返时间，为人类更加方便开展航空探索有着重要的意义。我国风洞已具备33马赫 ，若所设计航天飞船能够提升至该水平，只需要半个小时就可以完成一次航行。因此，风洞实验室为探索新型飞船外形提供支持，能够提前储备超高速飞船相关技术，待未来动力技术获得突破后，快速实现产品化。

航天飞机风洞测试示意图

我国新一代风洞是针对未来国家重点工程设计的试验装置，是未来探索天地往返、探月工程、星际探索、导弹武器等国之重器的关键设备，它的成功应用能够极大地提升下一代飞行器的设计水平，大幅缩减研发费用和研发时间。

结语：

新一代风洞成功研发标志着我国在飞行器设计具备国际先进水平，也是我国一贯踏实科研风格的体现。只有扎扎实实的研发手段，才能造就货真价实的高科技，拒绝一切不符实际的空想，“为国家铸剑，守候华夏人民”。

参考文献：

[1]伍荣林, 王振羽. 风洞设计原理[M]. 北京航空学院出版社, 1985.

[2]吕治国常雨钟涌王东战刘施然. 膨胀管风洞活塞驱动关键技术初步研究[J]. 载人航天, 2016, 022(002):215-220.

[3]龚红明, 常雨, 廖振洋,等. 高焓膨胀管风洞性能调试试验研究[J]. 气体物理, 2022, 7(2):8.

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