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仅中国掌握的激波管技术,使中国导弹超越美国领先世界
日期:2020-1-14 11:0:45

  原标题:余鸿儒研发激波管技术,仅中国掌握,使中国导弹超越美国领先世界

  木哥谈科学 2019-12-31 20:16:47

  风洞是一种管道实验设备,用于人工产生和控制气流,用于模拟飞机或实体周围的气流,测量气流对实体的影响,观察物理现象。它是用于空气动力学实验的最常用和有效的工具之一。

  风洞是制造航空、航天、航海、地面运输等各种设备的重要设备之一。例如,各种战斗机和导弹的气动布局不言而喻,地面上的桥梁或汽车都需要在设计之初进行风洞试验,以达到最好的形状布局,保证安全。

  例如,如果一架飞机需要能够达到多公里的高速,并适应多公里的气流,那么只能通过风洞再现气流来进行测试。

  可以说,先进的风洞是飞机发展的主要手段,地面风洞实验技术代表了航空航天领域的战略发展强度,风力隧道技术的产生决定了飞机的研发水平。

  1869~1871年F.H.韦纳姆建造了世界上第一个风洞。两端开口木箱,截面45.7cm×45.7cm,长3.05M。

  1900年,莱特兄弟建造了一个风洞,截面为406平方米,长度为406平方毫米,长度为1.8米。通过天平测量机翼升力、阻力和压力中心数据。在此基础上,1903年,莱特兄弟制造了第一架动力飞机并成功飞行。

  1906年,近代力学奠基人——普朗特教授,在德国哥廷根空气动力学研究所,建成世界第一座超音速风洞,试验速度可达到1.5马赫。此后,德国先后建立了一批低速、高速、超高速和特殊的风洞,引领着世界喷气式飞机、巡航导弹、弹道导弹等尖端武器的发展。

  普朗特在二战赞助了德国,成为了其一生的污点,然而陆士嘉、郭永怀、钱学森都出自于他下,可以说这群人推动了中国空气动力学的进展,为中国在国防科技领域做出了卓越的贡献。

  在钱学森和郭永怀接踵返国以后,依据著名科学家钱学森、郭永怀的构思,我国于1965年在四川组建了高速空气能源研讨机构,1968年,郭永怀在此基础上又领导组建了中国空气动力研究与发展中心,下设计算空气动力学研究所、低速空气动力学研究所、高速空气动力学研究所、超高速空气动力学研究所、设备设计与测试技术研究所五大中心研究所以及吸气式高超声速技术研究中心。40年来,中国空气动力学研究开发中心建成了数十座亚洲规模最大的优质风洞。

  “郭永怀”修建风洞的原因是发展高超音速武器,这是每个国家都想在近几十年中掌握的战略立场的超级武器。美国认为,高超音速武器将是一个能够轻易改变战争游戏规则的杀手。在高超音速武器的面前,任何防空系统在高超音速武器的面前都是无用的。

  美国从20世纪80年代就提出了发展高超音速武器的计划,而郭永怀从50年代就提出了高超音速武器的概念,1957年郭永怀在《现代空气动力学问题报告》中指出,高超音速空气动力学应是我国今后一个时期的重点研究方向。这一举措为祖国在高超音速武器研究中发挥了领导作用。

  假如想要进展高超音速武器,那么就必须要建造高超声速风洞,而这项艰巨的任务则交给了郭永怀的学生俞鸿儒。

  俞鸿儒,出生于江西上饶广丰,曾考入同济大学数学系。49年新中国成立后,他觉得工程项目可以在新中国建设中发挥更直接的作用,于是又考入了大连大学机械制造系。

  1956年,为呼应“向科学进军”的号召,俞鸿儒报考了中国科学院力学研究所的研究生,最终成为了郭永怀的学生。

  郭永怀给俞鸿儒制订了将来研究方向——发展激波管技术,研制激波风洞。激波管是一种产生激波并用激波压缩实验气体以模拟所需操作条件的装置。

  1950年以来,由于发展洲际导弹和核武器的需要,激波管得到了迅速的发展。本发明结构简单,使用方便,成本低,实验参数范围广泛,应用广泛。在激波管的基础上,激波风洞应运而生。激波风洞是利用激波压缩实验气体,然后采用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。

  俞鸿儒在举行晚期激波管试验时曾发生了几次事故,严重的一次把临时搭建的棚子都炸坏了,但是郭永怀并没有责怪俞鸿儒,反而给予了他全力的支持。

  1958年12月底至1959年底,俞鸿儒等一批激波管组人员被调至140部门(国防尖端任务气动实验部门),支持风洞建设,并从事超音速风洞测量仪器的配置和研制。俞鸿儒是风洞部门测量小组的组长。1962年,将激波管组建成贯通式风洞jf-4,1964年建成反射式激波风洞jf-4a。

  上世纪60年代初,余鸿儒分析了一次激波管氢氧燃烧实验事故,发现其根本原因是爆轰。爆炸极为危险,应尽可能避免。但经过20多年的思考,1988年俞鸿儒提出了反向爆轰驱动技术。

  在此原理基础上,1998年,他和赵伟、林建民等建成国际上首坐爆轰驱动激波风洞JF10。目前,冲击管驱动方式有三种:重活塞驱动、加热轻气驱动和爆轰驱动。爆炸驱动是中国人民提出的理论技术,形成了不同的欧美风风洞理论的中国学派。

  

氢氧爆轰驱动高焓激波风洞JF-10


  俞鸿儒铭记先生郭永怀先生的话,“我们这一代,你们以后二、三代,要成为祖国的力学事业的铺路石子”!

  近几十年来,俞鸿儒培养了一批硕士、博士,已成为学术精英和国家支柱。作为中国科学技术大学和国防科技大学兼职教授,多年来一直致力于人才培养,有力地支持这些单位的学科建设,促进了中国高校的机械教育。

  2008年,在俞鸿儒的指导下,姜宗林统率中科院力学所低温气体动力学实验室开端建筑JF12高超声速复现风洞,而这需要突破三大技术瓶颈:风洞驱动功率小、实验时间短、测量精度低。

  此外,jf12循环风洞是在地面上建立具有高超音速飞行速度的实验气流,气流柱的直径尺度应满足飞机实验实际尺寸的需要。如果用直径2.5米的喷嘴进行9次声速试验,jf12重复风洞的功率需求大于葛洲坝水电站的总功率。

  这就是为什么高超声速风洞的建造一直很困难,利用俞鸿儒高功率激波风洞的爆轰驱动技术已经成功地解决了这个问题。

  一套设备,上千张图纸,多少问题通过不断的努力,他们实现了安装、调试的成功。在短短4年的时间里,研制了一套大型的高超声速气流条件激波风洞模拟科研设备,能够在25×40 km高度、5~9倍声速范围内再现高超声速飞行条件,从而推动了世界先进风洞技术的发展。

  与世界上最大的自由活塞驱动激波风洞(日本航空航天实验室hiest)相比,最先进的加热式轻气驱动激波风洞(美国lensⅡ)的有效测试时间仅为30ms。

  而俞鸿儒、姜宗林团队经由过程复杂波系传布及其互相作用规律的研究,发现采用爆轰驱动能提供足够的驱动能,但爆轰驱动适用于产生高焓气流,在Ma=5~8范围,难将分界面缝合,试验时间很短。在反复思考后,俞鸿儒表明小直径驱动部分能够克服这个困难,然后可以增加从动部分的长度,并且可以增加从动部分的直径。因此,提出了具有长实验时间的激波风洞理论。

  基于这一理论,jf12风洞的有效测试时间为130ms,是美国的四倍。

  JF12是世界上最大的激波风洞和世界上第一个能够重现飞行条件的高超声速风洞。再现风洞的理论和技术,解决了60年来世界高超声速地面试验的难题,实现了风洞试验状态从流动“模拟”到“再现”的飞跃,引领了国际先进风洞试验技术的发展。

  在2013年至2015年提交给国会的一份报告中,美国国防部对中国的JF12激波风洞进行了评价,说“中国科学院在推进军事现代化的基础研究方面发挥了重要作用。”

  jf12激波风洞的诞生,也使高超音速武器的研制成为可能。目前,jf12循环风洞团队主要从事高超音速和高温空气动力学的基础和应用基础研究,包括飞行试验/地面试验数据相关理论、飞行器动力/热特性、新的气动热管理概念、飞型器/发动机一体化化学等实验技术与新型高效推进方法的探索。

  据中央电视台报道,在JF12风洞中,许多新的超音速飞行器模型是“吹过风”,我们可以想象那里有什么武器!

  中国往常推出的DF-17乘波体高超音速弹道导弹就离不开俞鸿儒研发的JF12高明声速激波风洞来模仿高明音速武器在模拟速度达到10马赫到25马赫的高超声速环境。

  Df-17是世界上第一枚实用的舰载高超音速导弹,最快末速度为20马赫,即每秒6806米,最长的岛链为1800公里,仅需4分钟即可到达。

  此外,DF-17采用了美国一直在努力掌握60年的“钱学森”轨迹。“钱学森”轨道使用火箭将飞机发射到空中并穿过大气层,然后飞机从太空返回大气层。当角度正确时,飞行器将像漂浮在水面上的瓦片一样向上弹跳,然后通过这样一系列的弹跳下降轨迹而下降。飞机能够高速到达目标。

  钱学森弹道高超音速武器的特点是速度超快,防空系统没有时间作出反应和反应;二是在大气层中飞行,机动变轨性能较好,无法按既定轨迹进行拦截。如果再利用钱学森弹道来“打水漂”,那么100%突发的概率、命中目标和敌方反导弹拦截可能几乎为零。

  如果美国航母出现在西太平洋,只要被我们的雷达锁定,那么美国航母就无法逃脱。

  DF-17的最大缺陷是在中途改变轨道的能力,如果目标移动,它可以在中途改变轨道,重新锁定目标,使得敌人无法逃脱。

  这标志着中国的导弹研究一直处于世界领先地位。它可以在几分钟内把第一岛链的所有军事基地都变成粉末,真正践行“东风快车,使命就到”这句话。这是中国远程能力的一个重要里程。

  目前,美国在高超音速武器方面面临着物质障碍。当飞机以超过音速5倍的速度飞行时,会产生高温,空气会显著加热。前端关键结构件的表面将产生2000-3000℃的高温,能承受较强的表面氧化和高动态压力和高过载冲击。高温不仅会引起结构热应力,降低材料的力学性能,还可能引起结构热应力传统金属材料难以满足使用要求。

  然而,中国著名科学家范景莲研制的轻质耐火金属基复合材料解决了这一问题。

  中国人民大学中国对外战略研究中心主任金灿荣曾说:再过几个小时,美军在东亚的所有军事基地都将被我们摧毁。在日本,美国在东亚度过了70年。. 美国航空母舰来是没有意义的,它会杀了你。事实上,美国已经没有军事能力来攻击我们了!

  美国空军一份研究报告称,中国和俄罗斯已经测试了高速移动武器,这些武器可能会使部署的美军,甚至美国本土面临危险。这些武器的机动性可以击败现有的导弹防御系统和武器!

  俄罗斯世界武器贸易分析中心主任伊戈尔·科罗琴科认为,中国试射高超音速飞行器证明,中国已经克服了美国导弹防御系统实力的增强,美国反导系统拦截此类武器几乎是不可能的。高超音速武器的发展也预示着中国导弹在美国和世界面前的成功。

  除了df-17,jf12还隐藏着什么样的超级武器?让我们拭目以待!

  从郭永怀老师提出了高明音速武器进展的计谋计划,到俞鸿儒老师坚定不移地按照郭永怀先生的科研理念和学科布局在高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究不断开拓,再到姜宗林先生继承俞鸿儒先生的衣钵,建造了国际首座可复现飞行条件的高超声速风洞—JF12。


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