什么是激波風洞？

激波風洞簡稱JF，指的是先利用激波壓縮實驗氣體，再利用定常膨脹方法產(chǎn)生高超音速實驗氣流的風洞。它由一個激波管以及連于其后的噴管、實驗段等風洞主要部件組成。

2012年研制成功的JF-12復現(xiàn)風洞，總長265米，成為當時國際最大、整體性能最先進的激波風洞，用的是反向爆轟驅(qū)動法，就是把可燃氣體點著，然后用高溫高壓的氣體做驅(qū)動源。這個成果獲得了國家技術發(fā)明二等獎。這個風洞可以復現(xiàn)25到40公里的高空，5到9倍聲速的高超聲速飛行條件。請注意這里說的是復現(xiàn)，而不是模擬。

近日完成驗收開始正式運行的JF-22超高速風洞，全長達到了167米，測試段直徑4米，各項性能指標可以說是國際領先，也為我們國家的空天往返系統(tǒng)以及超高聲速飛行器研制提供了有力支撐。原理是利用強大電能產(chǎn)生的粒子波持續(xù)高速轟擊氣流激波，將風洞管道內(nèi)高速氣流速度提升到3-10KM/S。能模擬臨近空間區(qū)域（40-100千米高度），33馬赫速度的空氣流場條件。JF-22超高速風洞也叫爆轟驅(qū)動超高速高焓激波風洞，研發(fā)目標主要是為解決超高速飛行技術的試驗研究問題。

JF-12復現(xiàn)風洞和JF-22超高速風洞分別是對應領域規(guī)模最大、性能最先進的激波風洞，使我國成為高超聲速領域唯一具備覆蓋全部“飛行走廊”實驗能力的國家。

激波風洞特點：

這類風洞包含相連的驅(qū)動段和被驅(qū)動段，驅(qū)動段存儲高壓、高能量氣體，被驅(qū)動段則存儲低壓的試驗氣體，試驗前二者被膜片隔開。試驗時，膜片破裂，驅(qū)動段氣體被釋放至被驅(qū)動段，這時在被驅(qū)動段產(chǎn)生一道運動激波，為了提高運動激波馬赫數(shù)，驅(qū)動段氣體一般為較輕的氣體。如果要獲得更高的馬赫數(shù)，可以加熱驅(qū)動段氣體。

隨著設計的運動激波馬赫數(shù)的增加，驅(qū)動段和被驅(qū)動段的增壓比迅速提高，增壓比和氣體種類以及溫度有關系。為了保證膜片破裂的準確性，一般在驅(qū)動段和被驅(qū)動段之間安裝兩個膜片。被驅(qū)動段末端安裝有第二道膜片，當入射激波到達該膜片時，立刻向上游發(fā)出一道反射激波，同時激波后氣體立刻被滯止從而產(chǎn)生高溫、高壓的滯止氣體，該氣體通過加速噴管加速至所需要的試驗狀態(tài)。試驗時間由反射激波和接觸面相遇的時間決定。試驗時間為第二道膜片破裂時刻和接觸面進人試驗段的時刻之間的時間。

激波風洞組成：

激波風洞由一個激波管以及連于其后的噴管、實驗段等風洞主要部件組成。激波管與噴管由膜片（通常稱第二膜片）隔開。激波管通常是由膜片(第一膜片)隔成兩段(驅(qū)動段和從動段)的一根柱形管子，分別充以滿足實驗要求的高壓驅(qū)動氣體和被驅(qū)動的低壓實驗氣體。噴管以后均被抽成真空。它的工作過程是:風洞起動時激波管中的膜片先破開，引起驅(qū)動氣體的膨脹，產(chǎn)生向上游傳播的膨脹波并在實驗氣體中產(chǎn)生激波。當激波向下游運動達到噴管入口處時，第二膜片被沖開，經(jīng)過激波壓縮達到高溫高壓的實驗氣體進入噴管，膨脹加速后流入實驗段，供模型實驗使用。當實驗條件因波系反射或?qū)嶒灇怏w流完而消失時，風洞運行的有效時間也就終止。激波風洞的實驗時間極短，通常以毫秒計。

激波風洞分類？

激波風洞主要分為三大類：加熱輕氣體類，自由活塞類和爆轟驅(qū)動。再粗略的分一下，加熱輕氣體類激波風洞主要是依靠高速驅(qū)動氣體，而自由活塞類和爆轟驅(qū)動依靠的是高壓氣體驅(qū)動。

加熱輕氣體的典型代表是俄國的U12和美國的LENS。

自由活塞類的有德國的HEG，澳洲的T3和T4以及日本的HIEST。其中日本的HIEST是目前最大的自由活塞激波風洞，不過也是90年代的構(gòu)建。

爆轟脈沖風洞盡管提出已經(jīng)很久，但真的大發(fā)展也是最近二十年的事情。我國的JF12，NASA的HYPLUS都是典型代表。

激波風洞如何工作？

當物體在氣體中運動時，會擾動周圍的氣體，這個擾動還會向氣體的其他部分傳播。氣體動力學家把這種擾動在氣體中的運動，叫做“波運動”，傳播速度叫做“波速”。顯然，由于擾動，氣體在波前、波后的密度、溫度、壓力以及速度等狀態(tài)參數(shù)都會發(fā)生變化。

大家熟悉的“聲波”就是在氣體里傳播的一種小擾動，它的傳播速度就是“聲速”。在常溫條件下（T=27°C），聲速a=348米/秒。“激波”則是一種較為強烈的擾動，波前、波后的氣體狀態(tài)參數(shù)一般有一個“突躍”式變化。在大氣中飛行的超聲速飛行器都會在頭部、身部等不同位置處形成激波。

激波風洞是怎樣依靠激波來驅(qū)動的？激波風洞利用“激波管”作為高壓氣源，但和一般暫沖式高速風洞不同，這里同時會產(chǎn)生激波。在激波管中產(chǎn)生激波的機制和前面提到的高速運動物體產(chǎn)生激波的機制也不相同，它是利用氣體壓力的落差（突躍），而不是運動物體的擾動。激波是一種壓縮波，氣體在波后的壓力、溫度會比波前值增加，壓差越大，所產(chǎn)生的激波就越強。

圖1是激波風洞的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括激波管、噴管和試驗段等。其中左邊的直管就是激波管，由驅(qū)動段（高圧段）和被驅(qū)動段（低壓段）組成，它們之間有一個膜片（即“主膜片”），而“第二膜片”則位于被驅(qū)動段和噴管之間。大家立刻會明白，主膜片的作用是隔開壓力不同的兩部分氣體。膜片上刻有十字形溝槽，槽深由所設定的壓差決定。當壓差達到設定值時，膜片就會破裂，高壓氣體立即從驅(qū)動段沖入被驅(qū)動段，形成了流動狀態(tài)，前方由一道激波引導。

圖1 激波風洞的結(jié)構(gòu)示意圖

激波管的工作原理可以利用圖2來具體說明，它展示了激波管內(nèi)不同時刻t的波系結(jié)構(gòu)，以及管內(nèi)氣體在時刻t1的狀態(tài)參數(shù)（壓力P，溫度T）。在激波到達之處，氣體的壓力、溫度便突然增高。那么，為什么在激波后氣體的壓力、溫度還會有一個突躍呢？這是因為激波在第二膜片處反射了，又進一步壓縮了氣體。

圖2 激波管工作原理示意圖

這里要說明的是，在驅(qū)動氣體中形成一道前向激波的同時，激波管內(nèi)還會形成一個反向傳播的“膨脹波”（有時也稱作為“稀疏波”）。在膨脹波后方，氣體的壓力、溫度要比波前值降低。最前面那個膨脹波的前方，氣體的壓力和溫度就是驅(qū)動段的初始狀態(tài)。如此看來，圖中激波管的不同區(qū)域A,B,C,D里的氣體有著不同的狀態(tài)，設計者可以依據(jù)需要來選擇某個區(qū)域作為工作區(qū)。例如，B區(qū)就是人們常常選擇的一個工作區(qū)，那里的壓力和溫度等參數(shù)，不僅數(shù)值最高，而且很均勻，適于作為試驗氣流。

現(xiàn)在，你明白了吧，激波是真的能夠驅(qū)動風洞運行的！當然，激波的傳播速度很快，但它帶動的氣體流速并不高，總是亞聲速的。所以，要實現(xiàn)試驗段氣流的高馬赫數(shù)（M=5～9），還需要通過噴管使之膨脹、加速。

北京易盛泰和可以根據(jù)用戶需求研發(fā)風洞設備，該設備主要用于導彈、人造衛(wèi)星、航天飛機的模型實驗。