什么是激波风洞？有什么作用？

什么是激波风洞？

激波风洞简称JF，指的是先利用激波压缩实验气体，再利用定常膨胀方法产生高超音速实验气流的风洞。它由一个激波管以及连于其后的喷管、实验段等风洞主要部件组成。

2012年研制成功的JF-12复现风洞，总长265米，成为当时国际最大、整体性能最先进的激波风洞，用的是反向爆轰驱动法，就是把可燃气体点着，然后用高温高压的气体做驱动源。这个成果获得了国家技术发明二等奖。这个风洞可以复现25到40公里的高空，5到9倍声速的高超声速飞行条件。请注意这里说的是复现，而不是模拟。

近日完成验收开始正式运行的JF-22超高速风洞，全长达到了167米，测试段直径4米，各项性能指标可以说是国际领先，也为我们国家的空天往返系统以及超高声速飞行器研制提供了有力支撑。原理是利用强大电能产生的粒子波持续高速轰击气流激波，将风洞管道内高速气流速度提升到3-10KM/S。能模拟临近空间区域（40-100千米高度），33马赫速度的空气流场条件。JF-22超高速风洞也叫爆轰驱动超高速高焓激波风洞，研发目标主要是为解决超高速飞行技术的试验研究问题。

JF-12复现风洞和JF-22超高速风洞分别是对应领域规模最大、性能最先进的激波风洞，使我国成为高超声速领域唯一具备覆盖全部“飞行走廊”实验能力的国家。

激波风洞特点：

这类风洞包含相连的驱动段和被驱动段，驱动段存储高压、高能量气体，被驱动段则存储低压的试验气体，试验前二者被膜片隔开。试验时，膜片破裂，驱动段气体被释放至被驱动段，这时在被驱动段产生一道运动激波，为了提高运动激波马赫数，驱动段气体一般为较轻的气体。如果要获得更高的马赫数，可以加热驱动段气体。

随着设计的运动激波马赫数的增加，驱动段和被驱动段的增压比迅速提高，增压比和气体种类以及温度有关系。为了保证膜片破裂的准确性，一般在驱动段和被驱动段之间安装两个膜片。被驱动段末端安装有第二道膜片，当入射激波到达该膜片时，立刻向上游发出一道反射激波，同时激波后气体立刻被滞止从而产生高温、高压的滞止气体，该气体通过加速喷管加速至所需要的试验状态。试验时间由反射激波和接触面相遇的时间决定。试验时间为第二道膜片破裂时刻和接触面进人试验段的时刻之间的时间。

激波风洞组成：

激波风洞由一个激波管以及连于其后的喷管、实验段等风洞主要部件组成。激波管与喷管由膜片（通常称第二膜片）隔开。激波管通常是由膜片(第一膜片)隔成两段(驱动段和从动段)的一根柱形管子，分别充以满足实验要求的高压驱动气体和被驱动的低压实验气体。喷管以后均被抽成真空。它的工作过程是:风洞起动时激波管中的膜片先破开，引起驱动气体的膨胀，产生向上游传播的膨胀波并在实验气体中产生激波。当激波向下游运动达到喷管入口处时，第二膜片被冲开，经过激波压缩达到高温高压的实验气体进入喷管，膨胀加速后流入实验段，供模型实验使用。当实验条件因波系反射或实验气体流完而消失时，风洞运行的有效时间也就终止。激波风洞的实验时间极短，通常以毫秒计。

激波风洞分类？

激波风洞主要分为三大类：加热轻气体类，自由活塞类和爆轰驱动。再粗略的分一下，加热轻气体类激波风洞主要是依靠高速驱动气体，而自由活塞类和爆轰驱动依靠的是高压气体驱动。

加热轻气体的典型代表是俄国的U12和美国的LENS。

自由活塞类的有德国的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风洞，不过也是90年代的构建。

爆轰脉冲风洞尽管提出已经很久，但真的大发展也是最近二十年的事情。我国的JF12，NASA的HYPLUS都是典型代表。

激波风洞如何工作？

当物体在气体中运动时，会扰动周围的气体，这个扰动还会向气体的其他部分传播。气体动力学家把这种扰动在气体中的运动，叫做“波运动”，传播速度叫做“波速”。显然，由于扰动，气体在波前、波后的密度、温度、压力以及速度等状态参数都会发生变化。

大家熟悉的“声波”就是在气体里传播的一种小扰动，它的传播速度就是“声速”。在常温条件下（T=27°C），声速a=348米/秒。“激波”则是一种较为强烈的扰动，波前、波后的气体状态参数一般有一个“突跃”式变化。在大气中飞行的超声速飞行器都会在头部、身部等不同位置处形成激波。

激波风洞是怎样依靠激波来驱动的？激波风洞利用“激波管”作为高压气源，但和一般暂冲式高速风洞不同，这里同时会产生激波。在激波管中产生激波的机制和前面提到的高速运动物体产生激波的机制也不相同，它是利用气体压力的落差（突跃），而不是运动物体的扰动。激波是一种压缩波，气体在波后的压力、温度会比波前值增加，压差越大，所产生的激波就越强。

图1是激波风洞的结构示意图，主要包括激波管、喷管和试验段等。其中左边的直管就是激波管，由驱动段（高圧段）和被驱动段（低压段）组成，它们之间有一个膜片（即“主膜片”），而“第二膜片”则位于被驱动段和喷管之间。大家立刻会明白，主膜片的作用是隔开压力不同的两部分气体。膜片上刻有十字形沟槽，槽深由所设定的压差决定。当压差达到设定值时，膜片就会破裂，高压气体立即从驱动段冲入被驱动段，形成了流动状态，前方由一道激波引导。

图1 激波风洞的结构示意图

激波管的工作原理可以利用图2来具体说明，它展示了激波管内不同时刻t的波系结构，以及管内气体在时刻t1的状态参数（压力P，温度T）。在激波到达之处，气体的压力、温度便突然增高。那么，为什么在激波后气体的压力、温度还会有一个突跃呢？这是因为激波在第二膜片处反射了，又进一步压缩了气体。

图2 激波管工作原理示意图

这里要说明的是，在驱动气体中形成一道前向激波的同时，激波管内还会形成一个反向传播的“膨胀波”（有时也称作为“稀疏波”）。在膨胀波后方，气体的压力、温度要比波前值降低。最前面那个膨胀波的前方，气体的压力和温度就是驱动段的初始状态。如此看来，图中激波管的不同区域A,B,C,D里的气体有着不同的状态，设计者可以依据需要来选择某个区域作为工作区。例如，B区就是人们常常选择的一个工作区，那里的压力和温度等参数，不仅数值最高，而且很均匀，适于作为试验气流。

现在，你明白了吧，激波是真的能够驱动风洞运行的！当然，激波的传播速度很快，但它带动的气体流速并不高，总是亚声速的。所以，要实现试验段气流的高马赫数（M=5～9），还需要通过喷管使之膨胀、加速。