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刘战伟
风洞被喻为“飞行器的摇篮”，一度流传着“有什么样的风洞，才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。
一款飞机模型正在进行风洞测试
从首次试飞成功的C919大飞机、神舟飞船、“辽宁舰”、高铁列车，到东风核导弹等，一系列“国之重器”都离不开中国的超级风洞，都得经过风洞“吹”的过程。航空航天技术的发展有两项关键技术：一项是超级计算机，另一项就是超级风洞！
风洞就是风洞实验室，它通过人工产生并控制气流来模拟飞行器周围气体的流动，提供飞行器设计需要的基础数据，是进行空气动力试验最常用、最有效的工具。要研制飞机，离开风洞试验将寸步难行。大型先进风洞对飞行器研制以及航空工业的发展有着不可替代的作用。
中国首个具有独立知识产权的高超声速风洞就是JF12激波风洞，它的主体是一根架起来半人多高、金属质地的长管子，身长达265米，居世界激波风洞长度之首。
中国JF12激波风洞（拍摄者：史文慧）
一架先进飞行器在上天之前，需要在风洞里做上成千上万次的吹风试验。JF12的技术指标目前在国际上也是最先进的高超声速风洞。
JF12超级风洞是世界唯一的，不仅在于它产生的流场区域大、气流速度高、试验时间长，更重要的是它应用了最独特的爆轰驱动技术，克服了自由活塞驱动技术实验时间短、定常性差等弱点。受此启发，德国和美国NASA修改原来的自由活塞驱动设计方案，在美国通用应用科学实验室（GASL）建成了正向爆轰驱动高焓激波风洞。
如表1-1所示，在产生同样的5兆帕驻室压力的情况下，美国的风洞每次运行所消耗的氢气是JF12的20多倍。加之使用大量氢气，成本昂贵，其储存、加热和排放又极具危险性，这使得轻气体驱动的应用与扩展具有很大局限性。更重要的是，LENS的试验时间只有18～30毫秒，远远低于JF12的100毫秒。因而，和轻气体驱动相比，爆轰驱动具有很大的优势，其应用具有很好的扩展性。
表1-1 中国JF12风洞和美国LENS风洞的氢气消耗量比较
超高音速风洞解决了包括大型客机、先进战斗机／导弹、高超声速飞行器等多项重大武器装备研制中的关键气动问题，成功的一个重要因素在于中国研制了第一个具有自主知识产权的“高超声速空气动力学数值模拟软件平台”。
如果把风洞设施比喻为电脑的硬件设施，那空气动力学模拟软件就相当于操作系统，只有硬件搭配了好的软件，整个系统才能正常运转。
JF12激波风洞被国际同行称作Hyper-Dragon（超级巨龙）。做出265米的长管子并不容易，项目组首创了超高压、大口径合金钢管设计技术和超高压爆轰段夹膜机设计技术，并与北方重工合作突破了高强度合金钢管大口径深孔加工技术。
JF12性能优越，可复现25～40千米高空、5～9倍声速的高超声速飞行条件。模拟带发动机工作的高超声速一体化试验需要的测试时间至少是几十毫秒，国外的相关风洞大约只能做到30毫秒，而JF12能达到100毫秒试验时间。
风洞试验段尺寸决定了试验模型的大小。一般风洞试验模型尺寸比真实飞行器尺寸小得多，当模型尺寸太小时，飞行器上的几何细节和小部件难以模拟。风洞越大，试验模型尺寸就越大，模型保真度就越高，试验数据就越可靠。
但是风洞尺寸越大，建设难度越大、运行成本越高，这就要求权衡模拟准确度、可行性与经济性，合理确定风洞尺寸。国外一般主流风洞尺寸为1.2米，JF12超级风洞喷管出口直径达2.5米，试验舱直径3.5米。
JF12激波风洞里的“风”，速度最高可达Ma9（马赫数9），可以说是个“超级风洞”。民用飞机的飞行速度一般为Ma0.8（马赫数0.8）以下的亚声速（1个马赫数是1倍声速）。高超声速指飞行器达到Ma5以上的飞行速度，Ma9则意味着从北京到纽约的飞行时间将由现在的14小时缩短到2小时。
有人这样形容Ma9：对于飞机的发动机点火来说，就像在龙卷风中点燃一根火柴，还要保证它持续燃烧。JF12风洞完全可以复现“龙卷风”的状态。JF12激波风洞里的“风”温度可达3000摄氏度左右，可以满足研制高超声速空天飞行器的需要。
历时4年多，花费4600万元经费，以中国独创的反向爆轰驱动方法为核心，克服了自由活塞驱动技术的弱点，集成了五大关键创新技术，设计、加工、建造及调试工作均由中国人负责，才完成了这一“庞然大物”。
中国风洞实验人员承担了C919大飞机的超临界机翼、增升装置等关键部段设计，完成了国内风洞试验任务总量的75%，研究掌握了多种故障状态下的全机气动特性。
此外，经过万余次风洞试验，中国工程师解决了长征火箭、神舟飞船返回舱和逃逸塔研制中的一系列关键技术难题。
在高铁方面，早在20多年前，中国工程师就已经开始先后对我国“蓝剑”“中华之星”、时速250千米动车组和CRH6城际动车组等10余项高速列车开展空气动力学试验，为列车选型提供了关键依据。
为了让高速列车跑得更快，科研人员先后对高速列车外形进行了大量的数值模拟计算，让“长客400型”高速列车气动减阻1%，而这项技术让全国高铁每年节约3亿度电。为了让高速列车更安静，科研人员经过几百次的风洞试验研究，找到了噪音产生的具体位置和机理，为进一步优化列车的外形设计、有效降低噪音提供了有力的技术支撑。为了让高速列车更安全，他们还通过研究提供了大量消除列车侧翻、脱轨等重大安全威胁的科学数据。
你能想到吗？北京首都机场新航站楼、奥运火炬塔、“鸟巢”、上海东方明珠电视塔、广州“小蛮腰”、跨海大桥……这些人们耳熟能详的地标性建筑，也要经过风洞的“洗礼”。
从飞机到飞船，从火箭到导弹，从汽车到高铁，从大桥到高楼……无数令世人瞩目的“国之重器”原来都得经过风洞试验。