計量論壇

JF-12激波風洞

位于北京近郊的錢學森工程科學實驗基地的空天飛行器實驗室，靜靜地盤踞著一條誕生不久的“巨龍”，國外同行稱之為“Hyper-Dragon”（意為超級巨龍）。這條長260多米的中國“巨龍”，便是第一個完全由中國人自主研發、目前在國際上最先進的高超聲速風洞，名叫JF-12。

JF-12作為眾多“JF系列”風洞中的一個，為什么如此特別？那要先從它的定位講起。

說起風洞，普通人或許對它還有些陌生。但在空氣動力學領域，它卻是最常用、最有效的實驗工具。風洞是在地面上模擬飛行器空中的飛行狀態，研究高速氣流與飛行器相互作用的規律，提供飛行器設計需要的基礎數據的裝備。風洞是航空航天飛行器的“搖籃”，一架先進飛行器不在風洞里做幾千上萬次試驗研究，是絕對飛不上天的。可以說風洞代表了一個國家在航空航天領域基礎研究的能力與水平。

區分不同類型風洞最主要的一個指標為“馬赫”數，即能夠達到幾倍的聲速。一般來講，民用飛機的速度約為0.8馬赫（0.8倍聲速），最先進的戰斗機的飛行速度為2～3馬赫。而JF-12激波風洞，馬赫數為5~9，并復現了總溫、總壓。也就是說，它研究的是被錢學森定義為“高超聲速”的飛行條件。

先進風洞的缺乏，制約著高超聲速飛行器的研發。對于世界各國來說都是如此。

自主創新，全面超越

目前世界上常用的高超聲速風洞有兩類。一類是以日本的HIEST風洞為代表的自由活塞驅動風洞，另一類是加熱輕氣體驅動的風洞，如美國的LENS風洞。然而這兩種風洞依然具有難以根除的“頑疾”：HIEST有著氣流不平穩，試驗時間短（僅幾個毫秒）的致命缺陷；美國LENS系列激波風洞代表目前國際最先進水平，但它使用大量氫氣或氦氣，成本昂貴且極度危險，在實驗時間和尺度擴展等方面也有很大局限性。

在JF-12誕生之前，我國風洞建設基本上走的仍是“跟蹤仿制”路線。不自主創新，又如何去超越？我國的科學家一直在思考，在風洞技術上，中國能不能走出一條自主創新之路？

這個機會終于來了。在獲得“國家重大科研裝備研制項目”的支持后，“復現高超聲速飛行條件激波風洞”項目2008年1月正式啟動。該項目并不是“盲目上馬”，而是建立在中科院力學研究所俞鴻儒院士和高溫氣體動力學國家重點實驗室在氫氧爆轟方法50年積累和爆轟驅動風洞技術15年探索的堅實基礎上，一直以來都在尋求風洞建設自主創新的科學家們一致認為：時機成熟了。

經過前后4年多的建設，2012年5月14日JF-12激波風洞順利驗收。驗收委員會一致認為：“該項目利用中科院力學所獨創的反向爆轟驅動方法，是國際首座超大型高超聲速激波風洞，整體性能處于國際領先水平。”JF-12的主要性能指標——馬赫數5~9，試驗時間100ms，試驗氣體為純凈空氣，試驗段直徑3.5米，全部超越LENS激波風洞。

中國制造，世界艷羨

JF-12激波風洞的項目負責人，中科院力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室主任、研究員姜宗林介紹，“JF12風洞265米的‘身長’使其能夠提供更長的實驗時間，高超聲速發動機需要的實驗時間至少需要60到70毫秒，我們已經能做到100毫秒，國外的相關風洞大約為30毫秒。我們的噴管直徑可達2.5米，實驗艙直徑3.5米，都明顯優于國外同類風洞。JF12風洞里的‘風’，速度最高可達9馬赫，溫度可達3000攝氏度左右。而9馬赫意味著，從北京到紐約的飛行時間，可以由現在的14小時縮短到2小時。”

中國科學院院士、我國空氣動力學家張涵信院士參觀JF12激波風洞后有感而發，概括為十六個字：“創新理論、成功實踐、中國制造、世界領先”。

JF-12這條“巨龍”甫一出世，便吸引了國內外高超聲速科技研究領域的廣泛關注。國際著名的激波物理學者Takayama教授曾寫信給姜宗林，稱贊道：“據我所知，這個設備是國際唯一的。”并表示希望風洞對國際基礎研究開放。

目前，JF-12風洞已應用于國家重大專項以及相關基礎科學研究。該風洞建成一年來，姜宗林等研制人員多次受邀到國際學術交流大會作報告，向世界介紹“中國風洞”。

財力不足，智慧彌補

JF-12的建設費用僅為4600萬。如何用這么少的錢，建設出如此大型、國際領先的科研設備？姜宗林微笑著總結了一句話：“我們用智慧彌補國家財力的不足”。他舉例說，比如僅一項“三個喉道匹配一個噴管”的獨創設計，就能節省上百萬的科研費用。

不僅是工程造價低，JF-12風洞每次的運行費用也非常便宜——還不到5000人民幣。在外國同行看來，這簡直是“難以置信”。

兩年盒飯，一次成功

談到設備研制，姜宗林自豪地表示，JF-12研制中的關鍵思想、解決方案、材料、器件……這些“都是我們自己的”。他還告訴記者，風洞建設過程中所有的圖紙都是團隊自己畫好，然后再拿出去加工的。

“有多少問題，就有幾多創意，辦法總比問題多！”姜宗林總結了JF-12建設的點點滴滴，更回味了“夏熱冬冷，兩年盒飯”的幾度辛苦。“從學術成果，到工程方案，突破了五項關鍵技術”，并最終取得了“一次安裝到位、一次調試成功，一次驗收合格，一次獲得試驗結果”的完美成果。

作為我國自主研制的大型科研裝備，JF-12風洞“十大分系統”涉及來自不同的加工廠家，從機械到電子、從真空到高壓，分門別類大大小小成千上萬個零部件。也許只有經歷過的人才會知道，能夠做到“一次成功”究竟有多么不易。

正因如此，姜宗林在研制總結報告的末頁寫下了這樣的感慨：“歷時四年，JF-12激波風洞從概念驗證、風洞設計、部件加工、系統安裝、整體調試、性能試驗到現場測試，項目組幾多坎坷，幾多艱辛，終于不辱使命，完成任務！”