中國30馬赫超級風洞領先全球

一、風洞的重要 

   風洞對大多數人來說都是陌生名詞，但卻是設計飛行器必備的實驗設備。中國在這方面的研究突飛猛進，領先世界30年的30倍音速JF-22超級風洞已落成，它將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遙遙領先世界。風洞具體來說就是一組有人造氣流的管道，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，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。具體來說，科研人員沒法讓飛行器在地面上實際「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。除了飛行器，風洞測試也可研發高鐵、艦船、跑車等。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。 

   中國在四川山區建有規模僅次於美、俄，居世界第三的風洞群，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，火箭軍的東風-17導彈即在此測試。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。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。同樣位於北京懷柔、更受世界矚目的JF-22超級風洞最近發布了一段視頻，展示了 “世界上最強大的風洞”。 央視視頻展示了高速斜爆震波發動機，俗稱超燃沖壓發動機，用於為風洞提供動力。據報導，據稱它能夠以高達 30 馬赫的速度模擬條件。被譽為“中國下一代飛機搖籃”的JF-22超高速風洞最高時速可達10公里/小時，或30倍音速，高度在40到100公里之間。上個月，中國科學院（CAS）力學研究所稱新型JF-22超高速風洞已完成“驗收”並準備使用。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。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。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」。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。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。　　

二、新風洞將激發中國的太空野心 

   根據歐亞時報報導，JF-22風洞可以模擬航天器重新進入地球大氣層。通過使用JF-22，中國可能將發射衛星和航天器的成本降低90%。因為 JF-22 可以為加速新技術的開發鋪平道路，並有助於避免多次發射測試設備，而這是相當昂貴的事情。解放軍觀察員和軍事分析家里克·喬稱風洞本身只是中國廣泛的高超音速開發工作的一部分，其中包括幾個高速風洞。具體看到的風洞模型是一架旨在部署軌道有效載荷的高超音速太空飛機。每個人都在尋找或已經研究過高超音速飛機來部署軌道有效載荷/衛星。風洞用於使用代表性模型和不同速度的風來模擬飛，任何航天器發射都是由空氣動力飛行器完成的，因此風洞測試是任何類型的航空航天項目的常規測試。在 JF-22 鏡頭中，可以觀察到這兩個測試項目都具有廣泛的配置和平台，類似於各種所謂的兩級入軌太空發射設計。據中國科學院稱，JF-22 將有助於製造即將推出的高超音速飛機。此外，JF-22 非常適合幫助測試高超音速導彈。除了運輸優勢之外，該技術還有可能提高武器能力。JF-22風洞長度約167 米，測試艙直徑約4 米。通過使用獨特的操作技術，中國的高超音速測試設施使其在西方競爭對手中脫穎而出。JF-22風洞利用化學爆炸來創造高超音速條件，這與其他國家依靠機械壓縮機產生高速氣流的設施不同。這項技術產生的衝擊波與飛機在高空超高速飛行時感受到的衝擊波類似，因為燃料的燃燒速度比典型的燃氣灶快約一億倍。該技術還能夠創建更專業的氣流，可用於評估各種材料或車輛類型。中國航天專家傅前哨稱一旦相關技術成熟，高超音速飛機不僅可以應用於偵察、攻擊等軍事行動，還可以應用於交通等民用領域。製造空天飛機是一個長期目標，因為它需要改進強大的發動機。高超音速飛機有可能大幅縮短飛行時間，中國最近一直在加快風洞的開發速度，表明希望在高超音速技術方面取得重大進展。 

   中國剛剛在其超強高超音速風洞中測試了一種新型空射太空飛機設計，這種未來派飛機專為商業、偵察和軍事用途而設計。戰區網站援引央視報導稱，中國政府發布了世界上最強大的風洞對似乎是空射航天飛機與母艦飛機進行比例分離測試的鏡頭。戰區網站指出，這架太空飛機的設計看起來與中國航天空氣動力研究院 (CAAA) 2019 年發布的風洞測試圖片和隨附視頻中看到的設計相似。但是，報告稱，沒有立即跡象表明這兩次測試是通過的。有關的。 中國國家自然科學基金委員會的科學家稱，JF-22高超音速風洞可以模擬航天器重新進入地球大氣層的大氣層。 科學家證實，JF-22爆轟驅動高焓激波風洞項目的有效測試時間、溫度、壓力和噴嘴流量等性能指標均達到國際標準。 其目標是加速空對地航天飛機系統的開發，如果成功，將實現衛星和航天器發射成本降低90%。中國於2018年開始建造JF-22，並於2021年8月完工， 這使其成為世界上最大、最快的高超音速風洞，能夠在最長 130 毫秒內模擬高達 30 馬赫的高超音速飛行條件。相比之下，美國最先進的高超音速風洞LENS II只能達到7馬赫，最長運行時間為30毫秒。

三、中國高超音速航天飛機計劃取得重大進展

   中美競爭是全面化的，尤其是在太空領域及高超音速航天飛機研發上市軍事競爭的重點項目。中國四川的自由活塞驅動高超音速激波風洞已竣工，這是目前全球同類設施中最大的。 它可以模擬33馬赫或每秒 2.5 至 11.5 公里的極端飛行條件。該設施的直徑為80厘米，是澳大利亞昆士蘭大學X3膨脹管尺寸的兩倍，此前該設施是同類設施中最大的。與 JF-22 一樣，位於四川的設施可以通過模擬地球大氣層的逃逸速度，為開發超燃沖壓發動機等高超音速飛行器提供地面測試支持。同時，它還可以為其他類型的任務做出貢獻，例如將中國宇航員送上月球。然而，這種類型的高超聲速試驗裝置受到其模擬長度較短的限制，僅持續千分之一秒，這對於某些實驗來說太短了。因此，新設施預計將與其他風洞合作克服這一限制。 中國的J-22和四川的自由活塞驅動高超音速激波風洞都將在中國的航天飛機中發揮重要作用，中國的航天飛機可能被建造為多任務平台，並作為未來太空武器的基礎。中國神龍微型航天飛機於去年 8 月發射後在軌道運行 276 天后在戈壁灘成功著陸，雖然神龍號的飛行時間比美國 X-37B 在軌飛行時間短得多，但這仍然是中國航天計劃的一個重要里程碑。 中國的神龍號及其後續設計還可能將衛星送入軌道、執行偵察任務和執行軍事任務。可重複使用的大規模衛星發射平台對於建立衛星星座至關重要，世界主要大國越來越將衛星星座視為戰略資產。因此，中國的航天飛機是一個重要的可重複使用發射平台。 

    中美間的競賽包括以尋找廉價且高效的發射低地球軌道 (LEO) 衛星的方法，這些衛星是高速寬帶互聯網衛星星座的組成部分。華爾街日報稱中國有 3.6 億人無法接入互聯網，低軌衛星被視為在偏遠地區提供互聯網接入的理想解決方案。報告還指出，可重複使用的衛星運載火箭可以節省大量建設衛星星座的發射成本。中國計劃建造 7,808 顆 LEO 寬帶互聯網衛星，但中國尚未有企業創建像 SpaceX 的獵鷹 9 號這樣的可重複使用發射平台。不過，中國的神龍航天飛機和類似設計可能會成為可重複使用大規模衛星發射平台的選擇，高超音速測試設施對於開發能夠以超音速和高超音速飛行以躲避敵方防空系統的先進偵察無人機也可能至關重要。中國的火箭動力超音速 WZ-8 無人機是一種尖端偵察系統，可以收集實時地圖數據，為戰略提供信息或預先確定導彈打擊目標，為未來的衝突做好準備。除了作為可重複使用的大規模衛星發射平台和高速偵察資產外，中國的航天飛機母艦設計還可以作為部分軌道轟炸平台（FOBS）。FOBS 是傳送到近地軌道的有效載荷，然後在完成完整軌道之前重新進入大氣層轟擊目標。與傳統彈道導彈相比，FOBS 具有多種優勢，包括全球範圍、從多個方向發動攻擊的能力以及比洲際彈道導彈 (ICBM) 更短的飛行時間。 他寫道，雖然蘇聯在 20 世紀 60 年代製造了 FOBS，但它們的精度不如洲際彈道導彈，它們的到達目標時間優勢被美國增強的天基探測能力所抵消，而且它們的使用被第二次戰略武器限制談判 (SALT II) 明確禁止。然而，將高超音速武器技術與 FOBS 相結合可以解決後者的局限性，因為高超音速武器可以通過機動來微調其最終接近目標的方式，並且越來越多地可以通過較小的太空有效載荷來訪問近地軌道。這一組合似乎還利用了 SALT II 中的一個漏洞，該漏洞禁止在“繞地球軌道”安裝任何核武器或大規模殺傷性武器。