激波反射型正向爆轟驅動器結構示意圖及其驅動性能實驗曲線（Credit：《中國科學》雜志社）
（神秘的高超地球uux.cn報道）據EurekAlert!：浩瀚宇宙將是人類一個更廣闊的活動空間，跨越地球大氣層的聲速石高超聲速空天飛行技術將是新世紀宇航領域的巨大挑戰。雖然經過60年的激波不懈努力，高效、風洞法鋪快捷、理論路低成本的和方空天飛行技術依然還在探索階段。出現這種困境的跨越空主要原因之一是缺乏能夠模擬高溫熱化學反應流動的風洞試驗技術，導致高超聲速關鍵技術驗證過度依賴昂貴、大氣耗時、層星低效的重基飛行試驗。
高超聲速風洞實驗模擬存在四個難點：（1）化學反應機制模擬不能使用替代實驗氣體；（2）化學反應進程復現必須模擬氣流溫度以確保反應過程的高超正常觸發；（3）不可縮尺的熱化學反應過程要求產生足夠大的試驗流場滿足大模型實驗需求。（4）需要適當長的聲速石實驗時間確保流場穩定以解決超聲速燃燒和氣動力的實驗測量。同時滿足上述四個需求的激波高超聲速風洞理論與技術一直是世界難題。最近，風洞法鋪來自中國科學院力學研究所高溫氣體動力學國家重點實驗室的理論路激波研究團隊（姜宗林研究員、李進平高級工程師、胡宗民副研究員，劉云峰高級工程師、俞鴻儒院士）取得了突破性進展，在《國家科學評論》(National Science Review, NSR) 發表研究論文“On Theory and Methods for Advanced Detonation-driven Hypervelocity Shock Tunnels”。他們提出了先進爆轟驅動超高速風洞的理論與方法，為研制能夠覆蓋空天飛行器全包線的超大型高超聲速風洞奠定了基礎。
激波研究團隊針對先進空天飛行研發對高超聲速風洞實驗研究的四大需求，分析了國際主流高焓激波風洞技術的局限性，建立了系統的爆轟驅動高超聲速風洞理論。進一步提出激波反射型正向爆轟驅動方法（Concept of Forward Detonation Cavity Driver），借助爆轟波反射產生的上行激波，實現了爆轟波形的剪裁和重構，解決了稀疏波導致入射激波嚴重衰減的學科難題，驅動能力比反向爆轟驅動模式提高了5倍。正向爆轟驅動器成功應用于JF-10 爆轟驅動高焓激波風洞，獲得總溫高達7000K的實驗氣流，其結構示意圖和驅動性能曲線如圖所示。激波研究團隊還發展了正向爆轟驅動激波風洞界面匹配條件，通過可燃混合氣組分的調制，實現了試驗氣體與爆轟產物的聲阻抗匹配，解決了入射激波通過氣體界面時的多次反射問題。界面匹配條件成功應用于JF-12復現風洞，獲得的試驗時間長達100ms，比同類風洞提高數十倍。
激波研究團隊創立的高超聲速風洞理論與技術獲得了國家自然科學基金委“國家重大科研儀器研制項目”的資助，正在研制一座超大型正向爆轟驅動超高速激波風洞，能夠覆蓋馬赫數10-25、高度35-90km的飛行包線，將為空天飛行技術驗證提供實驗手段，成為鋪就跨越大氣層星空之路的重要基石。
文章信息： On Theory and Methods for Advanced Detonation-driven Hypervelocity Shock Tunnels Zonglin Jiang, Jinping Li, Zongmin Hu, Yunfeng Liu, Hongru Yu https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa050 |
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