【原创】创新构建25马赫航天飞机的实验风洞

文/简浩

特超高音速空天飞机（“空天巴士”）是当今世界竞相研发的尖端飞行器，为此必需配套研发系统和产业体系，首先需要构建能够达到25马赫的特超高音速空天飞机的实验风洞，而目前世界上还没一家有这种特超高音速风洞，世界范围的风洞设计总体科学理念还有差距，根本原因是还没有完全吃透空气力学，处于僵化教条、常规思维、胶着状态，因此，要创新特超高音速实验风洞的设计构建，25马赫特超高音速空天飞机是时代需要、体系需要、产业需要、引领需要、战略需要、强国需要。

25马赫特高超音速“空天巴士”，时速3万1千公里，上海飞纽约只需半个小时，由于特超高速，空天飞机可以摆脱地球的吸引力，实现空天自由往返，超越导弹的飞行速度，因此也不需要隐身，既可作为空天载人的世界客运往返飞行，亦可作为航天飞机，还可解决替代火箭重复利用来进行投放太空卫星，战略意义和商业价值都非常重大，是人类的飞行技术、太空技术的又一次技术跨跃，既是镇国之宝，亦是飞行革命。当然，开发25马赫特高超音速飞行器有很多难以跨越的技术障碍。

音速等于通常表达的是在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米／秒，约合1224千米／时。马赫表示的是速度量词，也称马赫数，这是为纪念奥地利学者恩斯特•马赫发现创立的音速学说。一马赫等于一倍音速即340米／秒。声音在空气中的传播速度会随着不同的条件而变化，所以马赫也是一个相对单位，每1马赫的速度在不同条件下并不是固定不变。

风洞就是用来产生人造气流或称人工造风的管道。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可或缺的组成部分，设计新型飞行器必须经过风洞实验，特别是超音速飞机、导弹等飞行器，都需要经过风洞实验。比如上世纪50年代，美国B-52重型远程战略轰炸机的研制，曾进行了约1万小时的风洞实验，上世纪80年代初，经过十年的研制开发，美国第一架航天飞机哥伦比亚号的研制就进行了约10万小时的风洞实验。

举个例子，12级台风的风速只有每秒33米，16～17级的超强台风大于每秒51米，50米/秒风速的概念就超过飓风，声音与震动，几乎惊天动地。

风洞建设是一个涉及多学科、跨专业的系统集成课题，其中包含气动力学、气动热学、气动物理、气动光学、材料科学、声学等20多个专业领域。

下面我来概述世界各国风洞实验装备的现状，并简要阐述特超高速实验风洞创新构建的流体力学辨证理念。

一、 世界各国风洞实验装备的现状

首先说明，世界各国的风洞形式和力学理念几乎是大同小异，基本雷同。

1、低速风洞，最早一种是法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞，还有一种是德国人L.普朗特设计的回流式风洞。美国国家航空和航天局（NASA）埃姆斯（Ames）研究中心的12.2米×24.4米全尺寸低速风洞，风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦。

雷诺系数（Re）是低速风洞实验的主要模拟参数，计算公式：Re=ρvd/η，式中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与粘度，d为管道直径。Re<2300为层流状态，Re>10000为完全湍流状态。雷诺数是1883年英国人雷诺（O.Reynolds）首先提出推导。

2、亚声速风洞的马赫数为0.4～0.7。

3、跨声速风洞的马赫数为0.5～1.3。

4、超声速风洞的气流马赫数为1.5～4.5的风洞，产生超声速气流需要的动力约为16000～40000千瓦，主要适用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。

5、高超声速风洞马赫数大于5的超声速风洞，用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。

6、低密度风洞形成稀薄（低密度）气体流动的高超声速风洞。

7、激波风洞利用激波压缩实验气体，再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。

8、热冲风洞利用电弧脉冲放电定容地加热和压缩实验气体，产生高超声速气流的风洞。

二、特超高音速实验风洞创新构建的流体力学辨证理念

我曾经历一个退休富有高级经验的北大教授老板做的标定风洞建设，采用的是世界惯例风洞设计构建，使用的单机18千瓦动力，但既使开到最高马达转速，还使用小口径管道，风速也只能最高45米/秒。我曾去过法定权威的计量科学院庞大系统的基准标定风洞，最高检定风速也只有每秒60米。

为了满足高速用户需要，我研制的风洞采用了非常规的设计构建理念，使用同样的单机18千瓦动力，我的单机马达变频调速器却只开到马达额定转速的1/4，风速就已达到65米/秒，而且成本低、占地少、材料省、规模小、安全可靠、操作简便等优势。显然，这里说明了一个空气力学问题，其中就是空气动力学的奥妙！很多高速飞机、喷气发动机、冲压喷气发动机的技术难题都涉及空气力学这些奥妙。

如果按照常规思维，吃不透气动力学的奥妙，那就根本无法或就不可能构建25马赫的风洞实验室。

25马赫特高超音速风洞实验室，气体分子与金属管道的猛烈磨擦与撞击，那就意味着气流管道会热的发红！而实验物体的金属也同样会热的发红！尤其在地面实验的空气密度高，更会热的强烈。

如果没有25马赫的高超音速风洞实验室，设计开发25马赫特超高音速空天飞机将会困难重重。

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