《軍武次位面》作者：不會飛的子彈
JF-22爆轟驅動風洞
最近，央視發布了一個短視頻，標題叫做《中國「爆炸彈射」測試神秘物體》，視頻內容則是一個形似乘波體的「神秘物體」在進行某種測試，畫面右上角還有「JF-22激波風洞」的字樣。
又是「爆炸彈射」，又是「神秘物體」，聽起來讓人摸不著頭腦，不了解的人看了只感覺是又有什麼「過於先進，不便展示」的武器橫空出世了。
其實這則新聞最重要的不是標題，而是視頻右上角的「JF-22激波風洞」，這是我國目前最為先進、也是位於世界領先水平的超高速風洞，全稱為「爆轟驅動超高速高焓激波風洞」，剛在幾個月前通過了驗收。
風洞，通俗了講就是會出風的洞，聽起來好像沒什麼技術含量，但卻是航空航天飛行器的搖籃。就好比性能更強的晶片需要用製程更小的光刻機一樣，更快速度的飛行器，也需要可提供更高風速的風洞。
在飛行器的設計過程中，空氣動力學外形和動力系統通常是並行設計的。這就涉及到一個問題：外形設計往往比動力系統設計要快，不可能等到所有子系統都設計完畢，組裝成樣機開到天上去飛一圈，採集了數據之後又修改外形，然後又飛一圈。
殲十在風洞中
這樣不僅浪費時間、浪費金錢，同時對試飛員的生命是極大的風險，尤其是一些超音速飛行器，讓飛行員駕駛一架僅僅通過了仿真試驗的飛行器去超音速飛行，很有可能付出生命的代價。
尤其是對於一些高超音速的飛行器，空氣就不只是形成阻力那麼簡單了，而是會在飛行器頭部形成一道激波，這道激波將把空氣加熱到極高的溫度，以致於空氣變為了一種在不斷進行熱化學反應的複雜介質。
因此，如何讓一款飛行器在還不具備飛行能力之前，就對它進行空氣動力學和高溫氣體動力學的相關試驗，就是風洞所存在的意義。
既然飛行器動不了，那就放一架等比例縮小的飛行器模型在風洞裡，讓空氣在風洞中高速流動也是一樣的效果，這就是風洞。
世界上最早的風洞出現在1871年，由英國人溫霍姆建造，實際上就是一個兩端開口的木箱；1901年，我們耳熟能詳的萊特兄弟也建造了自己的風洞，人類歷史上的第一架飛機，就是萊特兄弟在風洞內試驗了上千次，才最終飛上天空的。
時至今日，世界各國所建造的風洞已多達上千座，而且所能實現的功能也更加多樣化，可以模擬不同條件下的大氣環境，並且還開發出了更為精密的配套測量技術。
風洞一般按照所能提供的最大風速，可分為低速風洞、跨聲速風洞、超聲速風洞、高超聲速風洞。其中，只有亞音速和跨聲速的風洞是我們印象中的渦扇風洞，但對於高超音速的風洞，就無法使用這種方法了。
超高聲速風洞一般都是激波風洞，其核心部件就是激波管，簡單點說就是一根管子中間隔了一層膜，用某種驅動方式讓膜的一側充滿高壓氣體，兩側形成極大的壓強差，然後當膜破裂時就會產生激波，從而讓空氣高速流動。
所以，激波風洞相對於渦扇風洞，最大的區別就是維持時間很短，通常以毫秒計，不像渦扇那樣可以輸出持續的高速氣流，但是激波風洞所能達到的馬赫數上限是渦扇風洞所無法觸及的。
在激波風洞中，如何形成激波管中的壓強差是關鍵。西方國家主流的方法是使用自由活塞驅動，通俗點講就是用活塞壓縮空氣，製造壓強差然後衝破主膜片形成高速氣流。
西方國家用自由活塞驅動的激波風洞，最強的也就能做到二十馬赫，而我國最新研製的這座JF-22超高速激波風洞能達到驚人的30馬赫，並且在10馬赫的速度下可以提供40毫秒的試驗時間。
相比之下，美國LensⅡ風洞，最高風速只有15馬赫，在7馬赫速度下也只能維持30毫秒，而日本的風洞實驗時間更是只有2個毫秒。所以，不管是在最大風速還是試驗時間上，JF-22都可以說是遙遙領先，領先同行不是一點點。
用中國科學院力學研究所副研究員韓桂來的話來說：「JF-22在一些方面領先西方至少20-30年」；中國科學院激波風洞項目負責人姜宗林更是指出：「所以這個性能的話，在世界上沒有其他風洞可以比的，」
翻譯一下就是：在座的沒一個能打的。
可以說，一個國家的所能建造風洞的最大風速，就是這個國家設計飛行器的速度上限。因此，想要設計高超聲速的飛行器，就必須有與之相匹配的高超聲速風洞。
所以，我國在航空航天以及高超聲速飛行器上的領先，其實背後都離不開一座座中國風洞的支持。但實際上我國在風洞的建設和發展上，起初是遠遠落後於西方國家的。
中國的風洞建設奠基得益於兩位先生，一位是錢學森，一位是郭永懷，兩位都是空氣動力學領域的專家，也都先後選擇回國投入祖國的科技建設，分別擔任中科院力學研究所的所長、副所長，主導了我國的風洞建設方向。
當時，錢學森、郭永懷前瞻性地認識到了風洞建設對未來中國航空航天事業以及國防科技發展的重要性，大力推動風洞建設。並於1958年在力學所設立了激波管組，目的之一就是研製激波風洞。
提到這個激波管組，就不得不提到我國激波風洞的開拓者之一，郭永懷先生親自帶出的一名研究生，時任激波管組組長的俞鴻儒。
在1958年8月，俞鴻儒所率領的團隊成功研製出了我國第一代激波管，實現了從0到1的突破。但是在那之後，我國的風洞研究再次遇到了瓶頸。
當時國際上的高聲速激波風洞，除了自由活塞驅動，還有加熱輕氣體驅動，但這兩種驅動方式都面臨一個問題，那就是需要消耗極大的電力對激波管內的氣體進行加熱，風速越高，所需要加熱的溫度也越高，建設和使用成本都不是一個小數目。
曾極具代表性的日本HIEST自由活塞驅動激波風洞
當時的中國，很多農村地區壓根連電力都沒有，想要動用幾乎是一座中型水電站的輸出功率去給當時還沒有使用需求的激波風洞供電，根本是不可能的事情，即便是建設資金也得先挪給國家急需的一些項目。
美國LENS系列激波風洞
好在，錢學森、郭永懷兩位先生十分清楚激波風洞對未來中國航空航天的重要性，一直堅定支持激波組的工作，同時俞鴻儒也在整日苦想，怎樣花最少的費用，造出性能最好的風洞。
在資金上跟西方國家拼不過，在理論體系上也才剛剛起步，俞鴻儒在報考郭永懷先生的研究生之前根本都不了解激波管，因此想要快速發展，彎道超車，就必然不能跟著西方國家的步子走，這樣永遠追不上。
1956年，俞鴻儒在大連工學院
當時，激波風洞在理論上還有另一種驅動方法，叫做爆轟驅動法，最早是在1957年由英國科學家Bird G.A.進行了理論分析，但是Bird G.A.認為爆轟驅動不適合用於激波風洞。
在爆轟驅動的理論中，根據起爆點的不同，又分為正向爆轟驅動和反向爆轟驅動，正向就是在驅動端的尾端起爆，激波向主膜片正向傳播，反向就是主膜片附近起爆，激波經驅動端尾端反射後傳向試驗段。
但是這兩種方法都有缺陷，正向爆轟產生的激波衰減極快，難以達到使用要求，而反向爆轟由於要經過尾端反射，很容易把激波管給直接炸了，安全係數不高。
當時國際上普遍認為爆轟驅動是不可行的技術，但俞鴻儒院士卻看上了這道排水渠，認為這就是超車的捷徑，理由之一就是爆轟驅動相當便宜，能給國家省不少錢。
1962年的時候，俞鴻儒進行膜片處多火花點火氫氧燃燒驅動實驗，有幾次出現了爆轟現象，壓強直接升高到初始壓強的兩百多倍，把激波管的固定栓都震鬆了，再高點就把激波管給炸了。
1960年俞鴻儒在實驗室
西方國家也進行過這種試驗，但是發現反向爆轟危險性極大後就放棄了，但俞鴻儒的導師也就是郭永懷先生告訴他：一定要走自己的路，探索中國高超聲速氣動試驗的新途徑。
於是，後來俞鴻儒團隊就一頭扎在了爆轟驅動技術上，後來決定對激波管進行改造，在驅動段的尾端再串聯一個卸爆段，消除了反向爆轟驅動的弊端，而保留了其激波強、花錢少的優點。
1969年，俞鴻儒院士帶領團隊自主建成了我國第一座大型高超聲速風洞JF-8激波風洞，採用氫氧燃燒驅動，為後來的爆轟驅動打下基礎。（最離譜的是，JF-8總共就花了8萬元，主打一個勤儉持家！）
此後，中科院力學所開始對爆轟驅動技術進行系統性的研究，在1990年建立了BBF100爆轟實驗激波管，解決了爆轟驅動實際應用中的多個關鍵技術。
1998年，我國建成了世界上第一座爆轟驅動高焓激波風洞JF-10，實驗風速7馬赫，實驗時間6-8ms，是當時國際上研究高超聲速的主力設備。而且比JF-8還離譜的是，JF-10上只花了國家支持的2萬元資金，剩下的都是平時節省下來的科研經費。
JF-10通過驗收
西方國家聽聞中國把爆轟驅動激波風洞搞出來了，都驚了，先是德國亞琛工業大學和中國科學院達成了合作，建設了反向爆轟驅動的TH2-D高焓激波風洞（俞鴻儒曾去這所大學做實驗，驗證了爆轟驅動的可行性，這次合作相當於還人情了）。
1988年，俞鴻儒在中國駐德大使館
而美國的NASA也趕緊對爆轟驅動的可行性進行了重新論證，後來決定在Hypulse激波風洞項目中採用爆轟驅動，一夜之間變成了美國追趕中國。
2000年，日本激波風洞專家參觀中科院力學所
2012年，我國又建成了世界上首座復現高超聲速飛行條件的超大型激波風洞JF-12，最大風速可達9馬赫，復現溫度可達3000攝氏度，是當時世界上最先進的激波風洞，西方國家稱之為「Hyper-Dragon」，意為巨龍。
復現高超聲速飛行條件激波風洞JF-12
我們耳熟能詳的東風17、東風27、鷹擊21，這些高超聲速飛彈的出現，背後都有JF-12的功勞，有了風洞上的超車領先，才有我國在高超聲速飛行器上的不斷突破。
最令為人傾佩的是，郭永懷先生對於我國風洞建設的高瞻遠矚，提前了至少十年開始部署我國激波風洞的研究。根據俞鴻儒院士的回憶，當時激波管組並未參與軍工任務，但是後來國家發展飛彈、航空航天，需要用到激波管，才發現力學所早在造好了。
俞鴻儒參加郭永懷先生誕辰90周年
錢學森先生在這個問題上站得更高。
相信大家都看過錢學森先生在黑板上畫出的那道從紐約到巴黎的弧線，常被人稱為錢學森彈道。但實際上這幅圖是表示高超音速客機的，表示從紐約飛到巴黎只要一兩個小時。
只不過，最後真正落地的協和式客機也只是超音速（2馬赫），還達不到高超音速的門檻，而這一定程度上也受制於當時激波風洞的發展水平。
而在幾十年後，我們再看這次JF-22激波風洞驗收後進行的首次公開試驗，畫面中的「神秘物體」，其實是我國正在研發的一種多級入軌飛行器，這次就是對一級和二級飛行器在超音速飛行下分離進行試驗。
中國科學院激波風洞項目負責人姜宗林在2017年曾說：下一代的航空航天技術，我們希望飛到5倍以上的聲速，這種飛行器研究成功的話，從北京飛到紐約變成兩個小時，把國際旅行變成了國內旅行。
那一道從紐約到巴黎的曲線，將會誕生於錢學森自己親自推動建設的中國風洞之中。