根据央媒报道,中国研究团队建成了JF-22高超声速风洞,技术完全是独创的,气流速度可以达到30倍音速,可以复现在40到100公里的高空中,以每秒10公里飞行的条件。
研究人员韩桂来评价说:
JF-22将会助力我国新型天地往返飞行器、高超音速飞机、高超音速飞行器的研发,比如:腾云工程、空天飞机,新一代高超音速导弹。
不过,也有网友在讨论,JF-22风洞瞬时功率达到了15000兆瓦,是三峡的75%,那这个大国重器能回本吗?
事实上,如果从国家科技整体的发展而言,JF-22风洞不仅能回本,还能带来诸多收益,那这究竟是咋回事呢?
风洞,用一句话总结就是:在地面造一个“天空”,模拟飞行器在空中高速飞行时,周围气流、环境以及可能出现的情况,并且判断飞行器的气动外形设计是否合理。在风洞领域,有一句话:
这其实说明了风洞是一个国家重要的战略资源。无论是歼-20、C919、神舟飞船,还是东风-17,东风-21等新一代导弹,都需要制作相应的缩比模型,在风洞里进行上万次的反复测试。所以,飞行器说白了都是在风洞里吹出来的。
放眼全世界,性能优良的风洞,几乎只有大国才搞,尤其是激波风洞,拥有这种风洞的国家用一只手就能数过来,这是因为这种风洞的消耗太大了,无论是研发,还是在后期运营阶段。
那什么是激波风洞呢?
首先,我们要搞懂啥是激波?
我国两“两弹一星”功勋院士曾经专门科普过“激波”,
如果要总结一下,其实所激波就是“趁气体分子不注意瞬间把他们堆到了一起”的一种物理现象。
至于激波风洞,说白了就是先利用激波压缩实验气体,再利用定常膨胀方法产生高超音速实验气流的风洞。
一般来说有两种实现激波黑洞的方法:加热轻气体和活塞驱动。
其中,美国LENS系列风洞和苏联U-12风洞采用的就是:加热轻气体;而中国JF-8A风洞和日本HIEST风洞采用的是:活塞驱动。
后来,我国风洞领域的元老俞鸿儒院士在实验过程中,出现了爆轰现象。爆轰,指的是一种极限燃烧的现象,相当于传播速度是恒定的爆炸,爆轰驱动所产生的能量,远远超过了氢氧燃烧。不过当时全球相关领域的研究人员都在极力避免爆轰,这是因为爆轰非常难控制。
然而俞鸿儒认为,俞鸿儒“爆轰”性能优良,可以好好利用,经过20余年的潜心研究。他带领的团队终于在1998年造出了全球第一座爆轰驱动高焓激波风洞JF-10。
从那之后,我国开始独立走向了“爆轰驱动”的研发之路,这和其他国家的风洞是完全不同的。不仅如此,我国后来又建成了JF-12,这不仅是“爆轰驱动”风洞,同时还是当时唯一一个“复现”风洞。
那么什么是“复现风洞”呢?
在JF-12建成之前,风洞主要是模拟飞行器在太空中的情况。但是高超音速状态下,气流的特性和普通情况下的气流特性会是完全不一样的,尤其是因为飞行器与气体的摩擦,当飞行器温度达到1万度以上,随着速度的提升,温度还会在短时间内快速上升,此时分子会变成原子,甚至是离子,这样情况就变得十分复杂了。
因此,纯粹依靠“模拟”以及超级计算机的配合根本不够。因此,这时候就需要复现,说白了就是实现“天上飞是什么样,在风洞里就得是什么样”的要求,这也对风洞的建造要求提出了更大的要求。
那我国的JF-22风洞到底是什么水平呢?
之前的JF-12,已经是世界领先水平。衡量一个风洞的性能指标主要有两个,一个是有效实验时间,一个“焓值”,指的是空气中含有的总热量。
JF-12能够模拟出5-10倍音速,且有效实验时间可以维持在130毫秒;而美国最好的风洞LENS II风洞,能够模拟出5-7倍音速,有效实验时长仅为30毫秒;而日本建设的国际上最大自由活塞激波风洞(HIEST)有效有效实验时长更少,只有2毫秒。
而JF-22性能就更强大了,它能够复现相当于40到100千米高空,约30倍声速(10.2千米/秒)的飞行条件。
想要实现这样的复现条件,所需要的能耗自然不可能低。在众多的风洞类型中,脉冲型激波风洞已经是最具性价比的,如果采用连续下吹式大型高超声速高焓风洞,那几乎没有国家可以承受。脉冲型激波风洞具有可模拟的试验气流总温高、马赫数范围广、运行成本低等优点。
然而即便使用脉冲型激波风洞,JF-12有效驱动功率也达到了3000兆瓦,超过了葛洲坝的装机容量(2700兆瓦)。至于JF-22,由于性能是JF-12近十倍,有效驱动功率也更高,达到了15000兆瓦,而相当于三峡装机容量(20000兆瓦)的75%。
一般来说,风洞每一次实验的时间都非常短,小于一秒。不过,一个飞行器在风洞里的实验也达到万次以上。JF-22有效实验时长并没有公布,我们就按照JF-12的130毫秒预估,那么也达到了1300秒,那就需要消耗541万度电,而由于实验大多都是在夜晚进行,用波谷的民用电,一般成本是0.3元一度电,也就是162.5万人民币;如果我们按照工业用电来计算,就按照最高的1.8元一度电的标准,那成本就是975万。
看起来非常贵,但客观地说,这真的是一笔很划算的买卖。为什么我会这么说呢?
我们要知道,没有风洞的话,我们的科研人员不能在研究阶段,依靠缩比模型来进行模拟或者复现。那要咋办呢?
如果是飞机,那就得等到飞机造出来之后,让飞行员开着飞机去试。如果失败了,飞机很可能会解体,飞行员可能会牺牲,仅仅是飞机的造价就远超过风洞实验的成本,更不要说宝贵的飞行员的生命了。
根据央视的报道,JF-22主要针对的是天地往返系统,也就是腾云工程、空天飞机,应该还有一代的航天器,比如:登月、登火星的飞船,新一代高超音速导弹,也就是比如东风-17、东风-27更新一代的导弹。
无论是航天飞行器,还是新一代高超音速导弹,这些造价都不菲,之前就有人爆料过,一艘神舟飞船达到了8.5亿美元,而新一代的飞船,可以乘坐7个人,规模要比神舟大,意味着造价也会更高。做风洞实验的成本相比飞船造价,几乎可以说是不值一提。
所以,某种程度来说,风洞的意义正是在于节省我国新一代飞行的成本。根据央视报道,研究人员姜宗林就曾表示:
所以,仅从风洞项目来看,似乎是不赚钱的,但是如果从我国新一代航天研发的总成本来说,JF-22风洞大大降低研发成本,所以这其实是赚的。
我们都知道,我国高超音速技术独步全球,这当中有科研人员的不懈努力,也不能忽略正是我们拥有了性能优异的风洞。
就拿美国来说,他们在研究高超音速武器的进度很慢,就有不少美国的军事专家指出,这和美国风洞资源精确,风洞技术跟不上有直接关系。美国国防部甚至在之前发布过一个奇葩的要求,让研发团队尽可能少地使用风洞资源,用实际测试来替代。
所以,风洞带来的这种国防技术进步的收益,是没办法用金钱来衡量。这让我国具有了不对称作战的优势,东风-17,东风-21以及鹰击-21等高超音速导弹的存在,让美国的航母不敢轻易靠近,守护了我国国土安全。
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