宇宙浩瀚，星海无垠。起源在哪里！又 向何处去！人类已经向太空送出探索者，去 寻找那无尽的奥秘。当他们凯旋归来时，身 披不是七彩祥云，而是数千度的烈焰。当宇 航器以近轨道速度再次进入地球大气之前， 需要精细调整飞行角度与速度，其再入走廊 并不宽广，如图 1 所示。如果角度过大或速 度过快， 那么宇航器就像一颗流星顷刻消失， 只为大气增添些许尘埃，留下瞬间火热的尾 迹。

图 1 航天飞行器的大气再入走廊(图片来自网络)

　　以 航 天 飞 机 为 例，  其 质 量 约 为 105kg，  再 入 时 高 度 约 为 300 km，  速 度 约 为 7.9km/s，  不 难 计 算 出 动 能 为 0.5*105*7.92*106=3.1*1012J=0.86*106kWh。 以北京市三口之家的平均年耗电量约 2000 kWh 来算，上述能量足够一个家庭使用 430 年！航天飞机最终着陆于跑道上，失去所有 动能。能量是守恒的，如此巨大的能量去了 哪里？

　　图 2 给出了答案。能量传给了航天飞机 周边的空气。通过与空气分子碰撞与摩擦， 航天器飞行速度逐渐减速，把自己的能量传 递给周边的空气。空气接收的能量，其中一 部分以内能(包括平动能、转动能和振动 能)的形式储存起来，气体温度升高；而另 外一部分则用于断开分子内部的化学键或者 使粒子电离，即所谓的高温真实气体效应。 由于高超声速可压缩流动特征，上述能量交 换过程仅仅限制在航天器周边有限的空气薄层——激波层内。激波层内高温气体，又以 传导和辐射的方式把热量传递给航天器，引 起严酷的气动加热问题。其中由热传导引起 的头部加热率Q.正比于航天器速度 V 的立方、 空气密度 R 的平方根，并与头部半径 ρ 的平方根成反比， 即Q. ∝ V3 。这就是返回式 航天器的外形都是大钝体的根本原因。

图 2 航天飞行器的头部激波内的化学反应

　　激波层内的能量交换并引起气动加热 问题，这并非设计者想要得到的结果，真正的目标是减速，使航天器的速度降下来。 也就是说，激波层是航天器的刹车片。减 速是通过气动阻力 Drag  (包括波阻和摩擦 阻力)实现的，其值与航天器速度 V 的平 方、空气密度 ρ，和迎风截面积成正比，即 Drag ∝ CD ρV2A，其中系数 CD 与飞行器的 几何外形有关。航天器设计的目的就是优化 其结构外型，在满足其力学与热力学强度以 及载荷空间需求的基础上，获得最优的气动 力与气动热特性，以满足特定航天任务的需 求。然而，航天器设计出来后如何验证考核 呢？未经充分试验验证的航天器直接发射， 尤其是载人航天器，其风险无法承受。不幸的是，目前尚缺乏足够的地面试验能力，现 有试验装置无法覆盖航天器的全速域全轨 迹。气动力 / 热引起的风险因素天然存在， 美国航天飞机挑战者号和哥伦比亚号的两次 灾难就是实例。

　　航天器高速段的模型验证试验主要是通 过脉冲式高焓风洞来实现，图 3 给出其基本 结构：主要包括驱动段、被驱动段、喷管、 试验段四个部分。基本工作原理就是非定波 动力学过程：  (1) 利用预装在驱动段的高温 高压驱动气体，在被驱动段内产生右行入射 激波，同时在驱动段内产生左行的非定常膨 胀波；  (2) 入射激波在被驱动段末端反射形 成反射激波；  (3) 利用左行膨胀波的非定常 膨胀、以及入射激波 - 反射激波的两个梯次 的非定常压缩，将驱动气体的储能瞬间转移 到试验气体， 产生高温高压的试验气源；  (4) 通过喷管的定常膨胀加速，将试验气源的内 能转化为动能， 在试验段形成高速试验气流。 简单来说，高焓风洞就是利用两次非定常激 波压缩、一次非定常膨胀和一次定常膨胀， 实现能量“乾坤大挪移”，将驱动气体内能 瞬间转换为试验气体动能，整个过程仅需几 个毫秒到几十毫秒。

图 3 高焓激波风洞运行原理

　　显然，在试验气体确定后，决定高焓风洞性能的根本因素就是驱动气体储能及其热力学特性，其中关键参数之一就是驱动气体声速 c ，或者说是决定声速的气体常数 R 和温度 T。一方面驱动气体总焓焓H = RT =，这决定了驱动气体的储能水平；声速越高、 或者说气体常数和温度越高，单位质量驱动 气体的储能越高。另一方面，膨胀波相对于 气流以当地声速传播，声速 c 越高，能量从 驱动气体转移到试验气体的速率就越高。

　　高焓风洞的研制就从如何获得高声速驱 动气体入手。活塞驱动技术利用高速运动的 重活塞压缩产生高温 的驱动气体， 即活塞动 能转化为驱动气体内能。由于重活塞速度有 限，因此，其携带的总能量有限，也就是说 可以产生的试验气体总量有限，该类风洞尺 度放大是很困难的。美国卡尔斯班研究中心 发展的轻气体驱动技术，就是从气体常数 R 入手，选用大 R值的氢气或氦气作为驱动气 体，并加热适当提高温度 T。稀有气体氦气 成本太高，而氢气的运行风险很高，这是该 类风洞的不足之处。爆轰驱动技术的核心原 理就是利用氢氧混合气体的爆轰产物作为驱 动气体，它的气体常数 R和温度 T都非常理 想。该类风洞的优点是易于尺寸放大，运行 成本低廉，克服了活塞驱动和轻气体驱动技 术的不足，而且试验气流品质优秀。

　　从俞鸿儒先生开始，力学所发展爆轰驱 动技术已经五十多年了。高温气体动力学国 家重点实验室先后建成并运行一系列爆轰驱 动高焓风洞，如 JF-10 爆轰驱动高焓激波风 洞(1997 年)、JF-16 正向爆轰驱动膨胀风 洞(2008 年) 、JF-12 复现风洞(2012 年) 等，以及处于筹建阶段的 JF-22 超高速风洞 (预计 2021 年建成) 。这些风洞分别具有航 天器不同速域条件的模拟能力，其集成覆盖了高超声速宇航飞行器的飞行走廊。其中， JF-12 复现风洞的关键参数：有效实验时间 (>100ms) 和试验 区尺 度(~Φ2500mm) 远超 目前 国际上的 同类风洞，MS Holden 团队已经提出在美国卡尔斯班研究中心进 一步发展长时高焓风洞的建议，其对准的 参数就来 自于 JF-12 复现风洞。JF-12 复 现风洞一个典型的试验状态是马赫 7、总压 和总温分别是 3.95MPa 和 2026K， 总焓为 2.3MJ/kg。在该条件下，试验气流对应的 功率为 255MW，一个中小型城市的总耗电 功率也不过如此！值得一提的是，JF-12 复 现风洞是以反向爆轰驱动模式来实现上述试 验条件的，仅仅利用了爆轰波尾端含能并不 最高的静止气体，而在爆轰波头，其正向传 播阵面携带的高能需要卸掉，该处气流折算 功率为 10000MW ！这一数字的惊人程度很 难直观想象，但与三峡水电站总装机容量 22400MW 作比较，就容易理解得多。

　　JF-12 风洞利用反向爆轰驱动组合卸爆 段模式，是爆轰现象的巧妙利用，而激波和 爆轰物理团队正在研制与筹建的 JF-22 超高 速风洞就是利用爆轰波阵面正向驱动能力， 应用一系列的直接起爆控制、波型重整、超 高负载管理、高焓型面喷管等创新技术，兼 顾试验气流总焓、试验区尺度和结构强度极 限， 其总焓上限将达到 50MJ/kg， 对应 10 km/s 的气流速度， 总温将接近 10000K， 试 验流场直径 2.5m。图 4 给出 JF-22 超高速 风洞全貌，建成后其性能参数也将在国际同 类风洞中名列前茅。

　　上述系列爆轰驱动高焓风洞群，为我 国新型航天器的研发和高温气体动力学前 沿问题研究提供了可靠的实验平台。特别 是 JF-12 复现风洞，已经为国家重大项目 提供了气动力、气动热、部件分离的验证性 试验数据。图 5 给出了其中一个案例，是火 星着陆探测器高焓气动试验。试验气流参数 为马赫 7.3，总温是 1300K，实验气体成分 是火星大气的 CO2。乍看 1300K 的总温并不 起眼，但是如果想象一下三原子气体的激波 压缩性能以及对喷管膨胀比的要求，这个参 数已经是目前国内同类试验设备能够达到的 最高值。图 6 分别给出了马赫数 7.3、总温 1300K 和 2000K( 偏离轨迹参数 ) 的头部激波 结构，高总温条件下强烈自发光现象反映出 激波层内强烈的热化学反应进程。热化学反 应进程独立于模型尺度，这是航天器高速区 段试验验证的相似性难题，在这一领域，JF 系列爆轰驱动高焓风洞可以发挥其尺度易于 放大的优势。

 

图 5 在 JF-12 复现风洞中开展火星着陆探测器高焓气动试验

图 6 火星着陆探测器高焓气动试验流场(M=7.3)

　　高焓风洞、以及针对性研发的气动热与 气动力等测量系统共同组成了空天飞行技术 验证平台。限于传感器的耐热性及响应特性， 在极端高温和极短时间内，开展气动测量是 非常困难的，测力系统就是其中一个极具挑 战的例子。高焓激波风洞为脉冲型装置，试 验时间短，来流冲击所带来的惯性力干扰导 致天平测力数据缺乏可靠性。传统风洞天平 很难保证信号有足够的处理周期，大大限制 测力模型的尺度和重量，一直是一个世界难 题。激波和爆轰物理团队提出了脉冲型测力 系统一体化设计概念，基于激波风洞的运行 特点和测力天平刚度要求，优化设计天平单 元结构， 解决天平输出和灵敏度之间的矛盾。 基于该技术研制了大刚度、低干扰、高灵敏 度的系列脉冲型应变天平，满足不同尺度飞 行器的测力试验需求。图 5 中的火星着陆探 测器高焓测力试验， 就是重要应用实例之一， 为我国火星探测提供了高焓高速区段的唯一 试验数据。

　　总温高达数千度甚至上万度的高速气 流， 在实验舱中的稳定试验时间只有 0.01 至 0.1 秒量级，就在这眨眼即逝的一瞬间，获 取航天器验证模型气动试验数据，那是决定航天器气动性能、可靠性、甚至航天员性命 的宝贵数据。这眨眼即逝一瞬间的光火，在 人类深空探测的征途上就如同一片萤火，飞 舞于漫漫暗夜。路阻且长，久行必至。宇宙 浩瀚，星海无垠，空天飞行技术是连接地球 和星空的桥梁，支撑人们去求知与探索。这种工程既需要像钱学森先生和郭永怀先生那 样的开疆拓土的巨匠，也需要更多扫雷铺路 的战士。姜宗林老师也不断鼓励团队成员， 激发创新的火花，  “苔花如米小，也学牡丹 开”。