根據央媒報道,中國研究團隊建成了JF-22高超聲速風洞,技術完全是獨創的,氣流速度可以達到30倍音速,可以復現在40到100公裏的高空中,以每秒10公裏飛行的條件。
研究人員韓桂來評價說:
中國JF-22至少領先了歐美20-30年。
JF-22將會助力中國新型天地往返飛行器、高超音速飛機、高超音速飛行器的研發,比如:騰雲工程、空天飛機,新一代高超音速飛彈。
不過,也有網友在討論,JF-22風洞瞬時功率達到了15000百萬瓦,是三峽的75%,那這個大國重器能回本嗎?
事實上,如果從國家科技整體的發展而言,JF-22風洞不僅能回本,還能帶來諸多收益,那這究竟是咋回事呢?
【風洞是什麽?】
風洞,用一句話總結就是:在地面造一個「天空」,模擬飛行器在空中高速飛行時,周圍氣流、環境以及可能出現的情況,並且判斷飛行器的氣動外形設計是否合理。在風洞領域,有一句話:
一代風洞技術決定一代飛行器的研制水平,同時代表著一個國家的科研實力。
這其實說明了風洞是一個國家重要的戰略資源。無論是殲-20、C919、神舟飛船,還是東風-17,東風-21等新一代飛彈,都需要制作相應的縮比模型,在風洞裏進行上萬次的反復測試。所以,飛行器說白了都是在風洞裏吹出來的。
【為何風洞如此耗能?】
放眼全世界,效能優良的風洞,幾乎只有大國才搞,尤其是激波風洞,擁有這種風洞的國家用一只手就能數過來,這是因為這種風洞的消耗太大了,無論是研發,還是在後期營運階段。
那什麽是激波風洞呢?
首先,我們要搞懂啥是激波?
中國兩「兩彈一星」功勛院士曾經專門科普過「激波」,
無論是爆竹爆炸,還是發射大炮,在我們聽到「拍」或者「轟」的一聲時,假如空氣密度的疏密是眼睛看得見的話,我們就會看見一個密度很大的空氣層從我們身上掠過去。
這時如果把空氣裏的壓力分布用曲面表示出來,在那個密度大的氣層裏,這個面就像個小山峰一樣。要是用照像的方法把它照下來,照片上就呈現為一條黑線。
從炮彈尖端所發出的兩條黑斜線就是激波。
如果要總結一下,其實所激波就是「趁瓦斯分子不註意瞬間把他們堆到了一起」的一種物理現象。
至於激波風洞,說白了就是先利用激波壓縮實驗瓦斯,再利用定常膨脹方法產生高超音速實驗氣流的風洞。
一般來說有兩種實作激波赫洞的方法:加熱輕瓦斯和活塞驅動。
其中,美國LENS系列風洞和蘇聯U-12風洞采用的就是:加熱輕瓦斯;而中國JF-8A風洞和日本HIEST風洞采用的是:活塞驅動。
後來,中國風洞領域的元老俞鴻儒院士在實驗過程中,出現了爆轟現象。爆轟,指的是一種極限燃燒的現象,相當於傳播速度是恒定的爆炸,爆轟驅動所產生的能量,遠遠超過了氫氧燃燒。不過當時全球相關領域的研究人員都在極力避免爆轟,這是因為爆轟非常難控制。
然而俞鴻儒認為,俞鴻儒「爆轟」效能優良,可以好好利用,經過20余年的潛心研究。他帶領的團隊終於在1998年造出了全球第一座爆轟驅動高焓激波風洞JF-10。
從那之後,中國開始獨立走向了「爆轟驅動」的研發之路,這和其他國家的風洞是完全不同的。不僅如此,中國後來又建成了JF-12,這不僅是「爆轟驅動」風洞,同時還是當時唯一一個「復現」風洞。
那麽什麽是「復現風洞」呢?
在JF-12建成之前,風洞主要是模擬飛行器在太空中的情況。但是高超音速狀態下,氣流的特性和普通情況下的氣流特性會是完全不一樣的,尤其是因為飛行器與瓦斯的摩擦,當飛行器溫度達到1萬度以上,隨著速度的提升,溫度還會在短時間內快速上升,此分時子會變成原子,甚至是離子,這樣情況就變得十分復雜了。
因此,純粹依靠「模擬」以及超級電腦的配合根本不夠。因此,這時候就需要復現,說白了就是實作「天上飛是什麽樣,在風洞裏就得是什麽樣」的要求,這也對風洞的建造要求提出了更大的要求。
那中國的JF-22風洞到底是什麽水平呢?
之前的JF-12,已經是世界領先水平。衡量一個風洞的效能指標主要有兩個,一個是有效實驗時間,一個「焓值」,指的是空氣中含有的總熱量。
JF-12能夠模擬出5-10倍音速,且有效實驗時間可以維持在130毫秒;而美國最好的風洞LENS II風洞,能夠模擬出5-7倍音速,有效實驗時長僅為30毫秒;而日本建設的國際上最大自由活塞激波風洞(HIEST)有效有效實驗時長更少,只有2毫秒。
而JF-22效能就更強大了,它能夠復現相當於40到100千米高空,約30倍聲速(10.2千米/秒)的飛行條件。
【那JF-22能回本嗎?】
想要實作這樣的復現條件,所需要的能耗自然不可能低。在眾多的風洞型別中,脈沖型激波風洞已經是最具價效比的,如果采用連續下吹式大型高超聲速高焓風洞,那幾乎沒有國家可以承受。脈沖型激波風洞具有可模擬的試驗氣流總溫高、馬赫數範圍廣、執行成本低等優點。
然而即便使用脈沖型激波風洞,JF-12有效驅動功率也達到了3000百萬瓦,超過了葛洲壩的裝機容量(2700百萬瓦)。至於JF-22,由於效能是JF-12近十倍,有效驅動功率也更高,達到了15000百萬瓦,而相當於三峽裝機容量(20000百萬瓦)的75%。
一般來說,風洞每一次實驗的時間都非常短,小於一秒。不過,一個飛行器在風洞裏的實驗也達到萬次以上。JF-22有效實驗時長並沒有公布,我們就按照JF-12的130毫秒預估,那麽也達到了1300秒,那就需要消耗541萬度電,而由於實驗大多都是在夜晚進行,用波谷的民用電,一般成本是0.3元一度電,也就是162.5萬人民幣;如果我們按照工業用電來計算,就按照最高的1.8元一度電的標準,那成本就是975萬。
看起來非常貴,但客觀地說,這真的是一筆很劃算的買賣。為什麽我會這麽說呢?
我們要知道,沒有風洞的話,我們的科研人員不能在研究階段,依靠縮比模型來進行模擬或者復現。那要咋辦呢?
如果是飛機,那就得等到飛機造出來之後,讓飛行員開著飛機去試。如果失敗了,飛機很可能會解體,飛行員可能會犧牲,僅僅是飛機的造價就遠超過風洞實驗的成本,更不要說寶貴的飛行員的生命了。
根據央視的報道,JF-22主要針對的是天地往返系統,也就是騰雲工程、空天飛機,應該還有一代的航天器,比如:登月、登火星的飛船,新一代高超音速飛彈,也就是比如東風-17、東風-27更新一代的飛彈。
無論是航天飛行器,還是新一代高超音速飛彈,這些造價都不菲,之前就有人爆料過,一艘神舟飛船達到了8.5億美元,而新一代的飛船,可以乘坐7個人,規模要比神舟大,意味著造價也會更高。做風洞實驗的成本相比飛船造價,幾乎可以說是不值一提。
所以,某種程度來說,風洞的意義正是在於節省中國新一代飛行的成本。根據央視報道,研究人員姜宗林就曾表示:
JF-22風洞的目標是助力天地往返系統,若成功可以把衛星和航天器發射費用減掉90%。
所以,僅從風洞計畫來看,似乎是不賺錢的,但是如果從中國新一代航天研發的總成本來說,JF-22風洞大大降低研發成本,所以這其實是賺的。
我們都知道,中國高超音速技術獨步全球,這當中有科研人員的不懈努力,也不能忽略正是我們擁有了效能優異的風洞。
就拿美國來說,他們在研究高超音速武器的進度很慢,就有不少美國的軍事專家指出,這和美國風洞資源精確,風洞技術跟不上有直接關系。美國國防部甚至在之前釋出過一個奇葩的要求,讓研發團隊盡可能少地使用風洞資源,用實際測試來替代。
所以,風洞帶來的這種國防技術進步的收益,是沒辦法用金錢來衡量。這讓中國具有了不對稱作戰的優勢,東風-17,東風-21以及鷹擊-21等高超音速飛彈的存在,讓美國的航母不敢輕易靠近,守護了中國國土安全。