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什麼是35倍音速風洞?

什麼是35倍音速風洞?目前,戰機的飛行速度一般都在1.6馬赫~3馬赫之間,而彈道導彈的最大飛行速度也隻不過為10馬赫左右,也就是說,15倍音速的風洞就可以輕松完成對飛機機體和彈道導彈彈體的測試。那麼,究竟是什麼需求使得中國開始建設35倍音速,該風洞的運用對象又是什麼呢?眾所周知,中國雖然在航天航空領域的相關技術獲得瞭較大突破,但是長征五號的失敗和計劃的拖延仍然暴露瞭中國在大型運載火箭上準備不足的尷尬之地,所以為瞭又第二手準備,中國在發展瞭可以吹火箭的35倍音速風洞。什麼是35倍音速風洞?

35倍音速風洞顧名思義就是可以形成每秒11公裡的管道內風速,而這一標準明顯已經達到瞭登月行動所需的第二宇宙速度,所以不僅是長征五號需要35倍風洞的支持以加快進度,就是未來的超級運載火箭也離不開35倍風洞的幫助。舉個簡單一點的例子,沒有35倍音速風洞的話,中國的太空發展可能要多花五年甚至是十年的時間,而有瞭35倍音速風洞來保證計劃的同步進行,中國起碼可以因此減少2到3年在航天器上測試所浪費的不應該時間。什麼是35倍音速風洞?

圖為高速風洞

此外,即使是戰鬥機和彈道導彈彈體,也需要更強的風洞環境來測試機體或者彈體的承受極限。對於發展先進戰鬥機和彈道導彈的國傢而言,錢肯定是不缺的。然而,如何在同樣的資金投入下獲得最快的回報就成瞭目前各國努力去解決的問題之一。與其讓飛機和彈道導彈在服役中出現問題重置生產計劃,還不如在風洞中就將其折磨殆盡以測試其極限性能,所以對於什麼都有,就缺時間的中國來講,35倍風洞還是很有必要的。


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隨著中美俄新一代洲際導彈的裝備服役,射程已經不再是發展重點,突防能力才是重中之重,那麼如何讓核彈頭具備末端更高等級的突防能力呢?這就要對核彈頭的末端飛行狀態進行模擬測試。比如經過計算機模擬測試,比如直接上風洞測試都是任何飛行器在實際試射前需要經過的步驟。

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比如某航空航天科研所研究出一種新型氣動佈局設計,該氣動佈局可大幅優化航空航天器的氣動佈局設計,降低其風阻使得其最大飛行速度超越現有的飛行速度上限達到一個前所未有的高度。那麼整個航空器的氣動佈局從最開始的草稿設計到後面具體細節優化,再到整機縮比模型亮相後,整個縮比模型完美的體現瞭設計者的設計思路和指標參數展現,並且該設計模型之前還經過超級計算機電腦模擬測試瞭其整機氣動設計是基本接近設計指標的,但是電腦模擬的終究是模擬的,外界環境下存在很多突發情況、比如大氣喘流、雷暴天氣下的氣壓溫度氣團等都會對航空器的正常飛行產生影響,但是此時航空器還無法真的直接發射進行實際試射,所以這個時候把縮比模型放到風洞中去盡可能的模擬測試其真實狀態下是否達標?

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簡單一點來說的話,風洞就好比汽車上路前我們不知道上路後輪胎會不會飛、速度超過一百碼後汽車會不會飄起來,所以先將模型放在風洞中去,在風洞中去盡可能的模擬真實環境下所出現的高速氣流、冷熱空氣團等,以此來驗證整個縮比模型的實際測試參數是否達到設計指標。

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那麼35倍風洞什麼概念呢?雖然戰機早已實現瞭超音速飛行,但是現在很多戰機的最大飛行速度也不過3馬赫,就算是洲際導彈的末端突防速度也不過20馬赫左右,那麼又有什麼必要研制速度超過35倍音速的風洞呢?畢竟高性能風洞不僅技術非常困難,而且還非常燒錢,就算是後期測試階段很可能幾秒鐘耗能就相當於一座小縣城一天的耗能總和。

什麼是35倍音速風洞?

航空航天器的研發雖然一直以來都是你追我趕,但是背後拼的不光是資金更拼的是技術層次的高低,比如上世紀90年代的時候,那個時候我們才成功實現瞭超音速風洞技術的突破,而那個時候美蘇兩國已經具備速度超過10馬赫以上高超音速風洞建造能力瞭,而在這背後蘇聯人研制瞭世界上飛行速度最快的米格31截擊機,同時研制瞭包括撒旦這種末日重型洲際導彈,美國則早就裝備瞭X-43A這種飛行速度達到10馬赫的無人飛行器。進入21世紀後,美俄兩國的進攻性導彈技術不僅百花齊放,同時在反導領域也是有很大突破,比如美國率先裝備瞭包括TMD、NMD等初段、中段反導攔截系統,俄羅斯也更新瞭自傢的A-235反導攔截系統,特別是美俄的反導攔截彈飛行速度非常快,此前俄羅斯曾公開過自傢最新裝備的A235中段反導攔截彈發射畫面,在整個畫面中我們隻看到眼前“唰”的一下似乎什麼飛出去瞭,並沒有看清到底是什麼,其實就是俄羅斯的A-235反導攔截彈發射出去瞭。

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那麼對於我們自己而言,我們雖然“堅定不移地奉行防禦性國防政策”,但是面對世界列強的欺壓,我們自己沒有強大的軍隊就無法實現人民國富民強、百姓安居樂業,所以我們不光要有自己的矛也要有自己的盾,但是不管是反擊的矛還是防守的盾,前者不能依靠更快的飛行速度突破敵方防空攔截、後者不能以更快的速度成功攔截來襲導彈,那麼就談不上百姓安居樂業。但是矛和盾的背後不光需要大量的科研資金和人才技術,更需要的是給各種矛和盾發放準生證的“風洞”。

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比如我國也要研制屬於我們自己的重型洲際導彈,在設定技術參數的時候發現其他國傢的洲際導彈最大飛行速度已經超過20馬赫以上,那麼我們的突防速度最低不能低於25馬赫以下,所以我們就得有我們自己的25馬赫以上的風洞群才行;同樣我們要研制屬於我們自己的反導系統時,發現他國的洲際導彈末端突防速度高達30馬赫,那麼為瞭保證攔截成功率,我們的反導攔截彈最大飛行速度至少也得超過35馬赫以上才行,這個時候我們就需要能夠真實模擬35馬赫飛行速度的風洞群、當然包括航天領域也是如此,比如航天器返回地球時最大飛行速度接近20馬赫,如果精準設計可以讓航天器在大氣層邊緣氣動減速同樣需要這種能夠模擬20馬赫的風洞群。

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放眼全球擁有先進武器裝備的美俄都有屬於自己的高超音速風洞群,比如俄羅斯能夠研制出肉眼根本捕捉不到的反導攔截系統,就是因為早在上世紀90年代時期俄羅斯就在新西伯利亞建造瞭能夠產生20馬赫風速的AT-303高超音速風洞群,同時在俄羅斯眾多航空航天器發放準生證的茹科夫中央空氣動力學研究院內,也有一座能夠模擬18--25馬赫的超音速風洞群;美國就更厲害瞭,目前還屬美國位於加利福尼亞的超音速風洞LENS-X最為先進,因為它是目前唯一能讓風速達到30馬赫的風洞,而且美國的先進風洞技術還不止於此,2009年美國興建瞭一座全新的LENS-XX膨脹風洞,它是以LENS-X膨脹風洞為原型建立起來的,能模擬從較低的高超音速軌道返回到行星返回等任何真實高超音速飛行條件,試驗氣流速度超過35馬赫,有效試驗時間可達4毫秒。

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但是對於技術落後的我國而言,在發展先進風洞問題上最大的問題就是技術空白的問題,比如35倍音速的風洞群可不像亞音速風洞一樣僅需要風扇就可以吹出這麼高的風速一樣簡單,如何產生這麼高的風速是一個問題,比如僅依靠風扇吹吹不出來的話,那麼就采用“空氣壓縮”技術來實現,比如提前將大量空氣壓縮在一個高壓氣瓶內,然後通過短時間快速釋放來實現更高的飛行速度模擬,但是這種技術也就隻能模擬5馬赫以下的超音速飛行模擬測試,速度再高以後就不行瞭;這個時候壓縮空氣既然不行的話,那麼久采用“沖擊波”技術來實現,比如在毫秒內讓某個物體快速產生沖擊流,繼而用來實現5馬赫以上、10馬赫以下的高超音速風洞測試;但是這種“沖擊波”技術仍然存在上限後又該如何呢?

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後面我國又發展瞭采用電磁脈沖技術的JF-12高超音速風洞群技術,該風洞群利用電磁脈沖瞬間釋放的高速沖擊波來模擬實現超過10馬赫以上的高速風洞測試;但是2009年建成的JF-12高超音速風洞群雖然已經能夠模擬測試10馬赫的飛行器瞭,但是這個時候美國最新的獵鷹高超音速飛行器剛完成瞭18馬赫的極限飛行測試,美國也在開展X-51高超音速導彈的試射計劃,所以對於當時的中國科研人員而言,中國的風洞技術決不能止步於JF-12面前。

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所以在美國已經有能夠模擬30馬赫的LENS-XX膨脹風洞後,我國也正是立項研制屬於我們自己的35馬赫風洞技術,該風洞同樣采用瞭能夠更為精準模擬、並且投資小、技術簡單的“膨脹管”技術,並且我們還領先的加入瞭“氫氧爆轟技術”,不光使得新風洞更容易達到35馬赫的高速氣流,而且爆轟技術的使用也使得我們的爆轟氣流持續時間更長,比如美國的LENS-XX膨脹風洞雖然能夠模擬30馬赫的環境,但是隻能持續4毫秒;而我們的新風洞采用爆轟技術後技術難度雖然有很大提升,但是實現起來更為容易瞭,而且氣流持續時間更長,可以達到100毫秒,能夠在實際的風洞測試中獲取更多的數據,加快整個項目研發進度。

什麼是35倍音速風洞?

所以你問我什麼是35倍風洞?我隻能回答如果對手有飛行速度超30馬赫的導彈瞄準我們的時候,那麼我們就得有飛行速度超過35馬赫以上的攔截導彈才行,而35倍的風洞就是用於將我們35倍導彈理論進行測試的“模擬考場”,等到風洞測試過關後再進行一兩次實戰化發射測試就可以正式裝備服役瞭。

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風洞就是用來模擬飛行器在飛行時表面氣流的流動,並且通過相關設備對這些情況進行觀察和紀錄的一種管道狀實驗室,這種設備的發展幾乎是和飛機同步的,現代所有飛行器包括汽車在內都要經過風洞的模擬以檢驗其運動時的姿態和空氣動力學設計是否能達到設計要求,機體材料的強度能否經受得住高速飛行時的氣流沖擊。
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風洞內的風一般都是通過電機帶動螺旋槳或者壓氣機制造出來的,風洞的等級根據風速一般分為低速風洞(0.3馬赫以下),亞音速風洞(0.3馬赫到0.8馬赫),跨音速風洞(0.8馬赫到1.2馬赫),超音速風洞(1.2馬赫到5馬赫),高超音速風洞(5馬赫以上),速度越快,建造的難度越大,世界上能夠建造高超音速風洞的國傢不超過十個。我國目前在四川綿陽已經建立瞭全球最大的風洞群,涵蓋瞭從低速風洞到高超音速風洞的所有類型,這也成為我國航空工業能夠在近年來不斷突破,新機型不斷定型服役的重要基礎。
什麼是35倍音速風洞?
進入21世紀以來,除瞭五代戰鬥機成為各大軍事強國爭相追逐的目標之外,高超音速打擊武器(飛行速度5馬赫以上)也成為航空工業的又一跨時代產物,這種武器因為速度快、突防性能力強、打擊時效性快、精準度高、能量爆表的特點,也被送上瞭能夠改變戰爭形態的新一代神器稱號。美俄法日等國正在加緊研制此類武器,而我國緊跟時代潮流,自然也不想更不能錯過這一新式裝備,但是因為高超音速武器的超高速度,要想制造出一款合格的超高音速裝備,就必須得有配套的風洞進行空氣動力學的模擬和數據分析。
什麼是35倍音速風洞?
(高超音速武器具備兩小時全球打擊能力)

目前全世界最強的風洞是位於美國加利福尼亞的LENS-X超音速風洞,它可以制造出30馬赫(10千米/秒)的風速,這一風洞也令美國人得以研制出目前世界上速度最快的飛行器——X43飛機(6.8馬赫)。而俄羅斯在西伯利亞和莫斯科附近則同樣有著規模龐大的風洞群,1999年新西伯利亞理論與應用研究所建造的AT-303風洞,風速超過20馬赫,數量眾多的各類型風洞也讓俄羅斯在高超音速武器研制方面走在瞭世界前列,目前俄羅斯已經成功部署瞭世界第一款“鋯石”高超音速反艦導彈,而另一款“先鋒”高超音速戰略導彈也即將安裝在核潛艇以及核動力巡洋艦上。
什麼是35倍音速風洞?(先鋒超高音速戰略導彈能夠輕易撕開美國反導網絡)

問蒼茫大地,誰主沉浮?美俄的經驗告訴我們,在高超音速武器這一領域要想取得成績,沒有高規格風洞是萬萬不行的。我國目前最強風洞是位於北京郊區的十倍音速的JF-12風洞,可是這並不能完全滿足需求,因為即使是洲際導彈的末端再入速度都往往達到15馬赫以上,更別提那些助推滑翔彈和乘波體飛行器瞭。因此我國目前已經開建世界第一的35馬赫高超音速風洞,未來主要就是用於高超音速武器的試驗,也可用於大載重火箭和可回收式航天飛行器的試驗,相信隨著時間的不斷推進,神秘的東風17高超音速導彈必將揭開神秘的面紗!越來越多的黑科技也將會在我們的國土上遍地開花!
什麼是35倍音速風洞?

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