中國科技|高超音速武器搖籃 中國超級風洞領先世界30年

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  風洞對大多數人來說都是陌生事物,但這種實驗設備卻是設計飛行器所必須。中國在這方面的建設近年不斷有突破,30倍音速、領先世界30年的JF-22超級風洞將在2022年落成,它助力開發劃時代的天地往返飛行器,更會讓中國高超速武器領先世界。

中國科技|風洞模擬氣動 設計飛行器的必需設備

  風洞其實就是風洞實驗室,具體來說就是一組有人造氣流的管道。它通過控制氣流速度強弱,模擬空氣流經物體時產生的氣動效應,高端飛行器,例如飛機和導彈,研發過程都不開這設備,故風洞也被稱為「飛行器的搖籃」。

  按照氣流速度,風洞可分為亞音速和超音速等種類。亞音速的小型風洞通常以高速風扇提供氣流,而超音速風洞則多以預先儲存的氣體,在短暫的幾秒、甚至幾毫秒中釋放,形成威力巨大的衝擊風力。

風洞看起來就是一組組管道,外型一點也不「酷」,這也是它不為一般民眾所關注的其中一個原因。圖為JF-12風洞,在JF-22建成前,它是世界最頂尖的同類設備。(網上圖片)

  具體來說,科研人員沒法讓飛行器在地面上「飛」以檢視氣動效應,或者飛行器還沒研發出來,這時就要依比例做一個模型,把它固定在風洞裏,利用人造高速氣流來「吹」它,藉此模擬在天上飛的過程,並通過儀器取得氣流、壓力、溫度等數據,以修正設計的偏差。

  這個過程,工程人員通俗地稱為「吹風」。上世紀美國研發太空穿梭機,就曾進行多達100,000小時的「吹風」。

  除了飛行器,風洞測試也擴大到其他追求速度的高科技領域,例如高鐵、艦船、跑車等。

中國科技|風洞助力運動員征戰北京冬奧

  而大家可能沒想到的是,風洞還應用到運動方面,例如在東京奧運奪金的中國女子4人雙槳賽艇隊,就曾在風洞作空氣阻力測試;參加北京冬奧的中國跳台速滑隊,還有雪車項目,也需風洞的助力。當然,這些風洞設計與測試飛行器的大不相同。

  風洞並不是新事物,世界上第一座風洞1871年出現在英國,20世紀初萊特兄弟研發飛機,也使用過風洞,只是現代風洞相關設計和速度,和當年不可同日而語。

  事實上,要研發的飛機和飛行器要有多高速,就必須要有相應速度的風洞,也就是專家所說的「一代風洞,一代飛行器」。

風洞和北京冬奧亦大有關係,不少參賽運動員或設備都經過風洞訓練或測試。圖為北京體育大學裏的「體育綜合風洞」。(網上圖片)

  但速度愈高、愈大型的風洞,設計和建造技術難度也愈大,成本之高更不在話下,因此頂級風洞只有少數國家擁有,可說是國之重器。

  中國在風洞的建設方面起步較晚,但經過數十年發展,已從「跟跑」發展至世界領先。例如在四川山區,當局建有規模僅次於美、俄,居世界第三的風洞群,中國很多款現役戰機就曾在這裏「吹風」。

  而位於北京懷柔的JF-12風洞項目,亦於2012年研製成功。它能在200多米長的管道中模擬出5至9倍音速飛行條件,技術至今仍是世界頂尖流的,而火箭軍的東風-17導彈即在此測試。

中國科技|JF-22風洞建成 模擬30倍音速

  東風-17是全球第一款服役的高超音速武器,中國此方面技術已領先美國。有分析認為,美國漸見落後的一大原因,便是風洞設備不給力;目前美國最先進的LENSⅡ風洞,模擬速度也只有7倍音速。

  當然,中國的風洞發展還不止於JF-12,同樣位於北京懷柔、更受世界矚目的JF-22超級風洞,亦會在2022年建成。

  根據官方資料,JF-22是靠化學爆炸產生高速氣流,能模擬在4萬至10萬米高空中,30倍音速的飛行條件,也就是每秒10公里的速度。飛行器在這種速度下,表面溫度可能10,000度,熱得足以把空氣分子分解成原子。

中國在風洞測試高超音速武器的畫面,曾引來世界關注,但到到底這三角型的武器是甚麼項目,當局未有明語。(網上圖片)

  JF-22還有一個強橫數據,就是它的實驗時間達到100毫秒。不要小看這「瞬間」,要知LENSⅡ只有30毫秒,而實驗時間愈長,所做的實驗也可以更先進、更全面。

  專家指出,JF-22超級風洞建成後,結合在北京現有設備,將使中國在高超音速技術上領先西方20至30年。

  那中國的領先有甚麼具體內容?當局已明確表示,研發JF-22超級風洞的目標,就是要助力開發「天地往返飛行器」和「高超音速飛行器」。

中國科技|研發高超音速武器 一小時打遍全球

  天地往返飛行器是一種可執行航天發射任務、並多次重複使用的「空天飛機」,可視作升級版太空穿梭機,它既可載人,也可運貨,前者滿足太空旅遊、運送太空人等需求,後者能用於衛星發射、太空站貨物補給等。

  從媒體曝光的展覽內容所見,這空天飛機是「大飛機機背小飛機」的形式,相信它是用作為「母機」的「大飛機」,把「子機」載到高空,然後「子機」再發動引擎加速飛上太空,執行任務後再返回地球,如普通飛機般水平着陸。

內地傳媒出現的展板畫面,顯示了天地往返飛行器和高超音速飛行器的型象,它們都是超級風洞的重點研發目標。(網上圖片)

  該展覽的展板顯示,天地往返飛行器速度將達到25馬赫(25倍音速)。

  JF-22超級風洞項目負責人姜宗林曾向傳媒表示,天地往返飛行器開發成功,可以把衛星和航天器的發射費用減掉90%。

  至於「高超聲速飛行器」,外界相信是屬於武器範疇,而展板上標注着「全球到達」的高超音速飛行器,也與美國「快速全球打擊計劃」中「乘波者」飛行器高度類似。

  根據展板所示,高超音速飛行器最高速度12馬赫(12倍音速),接近可以一小時打遍全球;它也肯定會令美國的反彈道導彈系統變成擺設。

東風-17是解放軍的撒手鐧武器,它的研發有賴中國有世界一流的風洞。(網上圖片)

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