高超音速：轮到中国给NASA改作业了

晨枫

南华早报报道，国防科大高超团队在《空气动力学学报》上发表论文，指出NASA的Vulcan-CFD软件有计算错误，这可能是美国高超屡屡失败的一个原因。
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4 E; [- D4 U, ?% _  m高超音速飞行不光是速度快，还在理论上与传统空气动力学有原则不同。由于摩擦生热，高超飞行体表面温度极高，M6飞行时，表面温度达到1360C。传统空气动力学不考虑速度与空气温度之间的交互作用。

) f- P' j, f& |; c: B高温带来的不仅是飞行体结构耐热问题，还对周围气动环境产生传统空气动力环境下不需要考虑的问题。
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2 {4 m6 I* m$ W高温会导致热化学反应，改变空气性质。比如说，在高温下，氮和氧成为氮氧化物，这就是燃烧导致污染的源头之一。空气中的氮氧化物是酸雨的主要原因，对地面的建筑等造成腐蚀。乙烷在高温下裂解成乙烯，在此过程中吸热，改变气态环境的热平衡。这不是说高超飞行会产生酸雨，或者导致乙烷裂解，只是说明高温对环境空气会造成意想不到的影响，必须考虑热化学的问题。

这些影响还会通过传热传质传动影响周围空气，导致局部空气温度、密度、粘度等物理特性的改变。
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这些现象使得高超音速飞行体与周边环境空气的影响高度复杂，空气动力学成为空气热动力学，实际上还有热化学的维度。

Vulcan-CFD据说是业界标杆软件，但也是限制出口的，只能在美国境内通行，盟国都不卖，中国自然更不可能。估计即使在美国，也不是阿猫阿狗砸钱就能买的，需要各种安全审查。但NASA在2020年的一篇论文里，对Vulcan-CFD的关键计算公式有所披露，这些都是公开的。中国学者正是依据这些数据进行推断。按照中国说法，Vulcan-CFD在业界“很知名、很熟悉”。

国防科大团队与解放军航天工程大学、绵阳气动院合作，发现了Vulcan-CFD的计算公式错误：没有计入微观涡流对传热传质传动及其导致的化学反应的瞬态影响。文章推断：这些错误误导美国高超音速飞行体的研究、分析、设计、制造，可能屡次失败。
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$ P1 x% {) {3 e  }/ [$ q  b稳态影响容易想象，这就是能量、物质最终都需要达到平衡的状态。但瞬态就不一定了。地铁站转车空间就是一个例子。从稳态来说，一条线上下来的人，最后都转到另一条线上，这是平衡的，只要有连接通道就行。但考虑到前一条线下来的人一拥而下，后一条线上车的人没那么快，连接通道会在短时间里一下子人满为患。但给一定的时间，又会疏解开来。这就是瞬态现象。上海地铁站转接通道又宽又长，一方面是地铁布线的原因，另一个原因就是考虑到转车的瞬态峰值容量。

* O5 V4 u9 D& b; G4 Q2 y这还是宏观的，从整体上来看的。放大到微观，需要把地铁通道每一个转角、每一个梯阶、每一个通道宽度收缩和放大都进行微观计算。在数值计算上，这就是“打格子”了。

/ P, O4 h/ I8 m& Y/ H- N在空气热动力学和热化学计算中，一切都平衡下来后，只考虑宏观，是一个算法；计入局部的传热传质传动的瞬态，又是另一个算法。这事说说容易，但计算上就是本来就复杂的少量代数方程变为更加复杂的巨量偏微分方程，数值求解的难度成数量级增加。
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如果简单粗暴方法解不动，只有用模型降阶，以简化方程替代，但必然涉及到各种经验参数。这就需要大量风洞数据来凑了，拍脑袋是想不出来的。
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NASA未必想不到，但要有大量高超音速风洞啊。否则就只有用简化的静态宏观模型了。
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$ o( u- h- C# Y' z$ w# \' k4 z# ]计算误差导致对高超音速飞行体表面的空气化学组成和性质、温度粘度等物理性质都“蒙擦擦”，而高超又是差之毫厘失之千里的事情，失败就不奇怪了。

4 i! Q! j, Y8 ~. W如果属实，这是吃了缺乏高超音速风洞的亏了，否则风洞实测数据能较早发现理论和实测的差异的。
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美国高超真是落后了。陆军的LRHW在2021、22年试射接连失败，接下来的三次试射只能取消。失败的代价不便宜，仅2025财年（最新预算提案）就要求拨款12.8亿美元。但朝鲜高超弹都飞起来了，美国还没有。朝鲜是怎么做到的？用竹竿捅上去的，哦不，用泡菜滋上去的。不管怎么弄上去的，这事得问朝鲜。

说起来，美国是高超的先驱者。不说钱学森在美国时创建了高超这一概念，后来美国高超研究一直是领先的。直到十几年前，一下子被中国超过去。超车速度和干脆利落把中国自己都吓一跳。现在中国已经习惯于在高超方面遥遥领先了，有功夫帮NASA改作业了。

huma

有没有可能是一开始就发布的错误的信息呢，如果不是有这一点估计不会公开发表改正错误的文章

晨枫

huma 发表于 2024-4-8 14:59
/ j) a- G' N6 y9 C' `有没有可能是一开始就发布的错误的信息呢，如果不是有这一点估计不会公开发表改正错误的文章 ...

. N  M4 T6 Y& d2 U% x8 z你是说NASA故意发表错误的公式？当然是有可能的，但缺乏证据，也不符合NASA的技术传统。要是不想发表，索性保密不香吗，反正Volcan-CFD不对美国之外发售。

鳕鱼邪恶

晨枫 发表于 2024-4-9 06:05
; z, F8 r& s+ ]: n( f你是说NASA故意发表错误的公式？当然是有可能的，但缺乏证据，也不符合NASA的技术传统。要是不想发表，索 ...

所以，NASA是故意发出来找人改作业的？

晨枫

鳕鱼邪恶 发表于 2024-4-8 16:51
所以，NASA是故意发出来找人改作业的？

% l+ C" \3 b5 q4 t有正经人故意做错作业的吗？

aniu

为啥要改作业？为啥要无偿改作业？为啥干涉人家在错误的路上走下去的自由??？

牛腰

晨枫 发表于 2024-4-9 06:58
有正经人故意做错作业的吗？

) k" C- H$ l  J- ?% Z- O不是故意做错，而是真的不会，做错了，发出来看有没有热心人来免费辅导

料理鼠王

国科大论文的目的是什么？
难道是促进鹰酱共同进步？
* B+ C/ f( M, Q/ T# D6 V. A; S这才是问题。
9 P1 ~: ~2 s& _1 K
3 J" s8 L. d; E$ l难道是鹰酱对于风洞这样的基础设施投资进一步推进？
* W; R4 e$ j" [- [) a; K推动国防预算的增加？

huma

晨枫 发表于 2024-4-9 06:58
有正经人故意做错作业的吗？

在高新技术领域或引领先进的军事科学领域的，有正经人吗！不让你走弯路就对得起你了！美帝的星球大战，张局长的战忽局都是干什么的，一个把北极熊忽悠死了，一个把白头鹰忽悠瘸了

huma

钱老是提方向，定大局。真正做工作的是郭永怀，可惜英年早逝。正是干事业的时候

hsb

料理鼠王 发表于 2024-4-9 07:38
国科大论文的目的是什么？
- T9 K3 Y7 I, i8 y$ c难道是促进鹰酱共同进步？
这才是问题。

* k' r4 }' {" [国安得查一查
$ D  C0 u1 J6 I' Q

晨枫

huma 发表于 2024-4-8 19:05
0 W; H0 H  U! c8 H& f钱老是提方向，定大局。真正做工作的是郭永怀，可惜英年早逝。正是干事业的时候 ...

8 D7 _- S6 R2 D3 P) W9 b/ d郭永怀是爆炸力学吧，不是搞空气动力学的？

huma

晨枫 发表于 2024-4-9 09:20
' F& K" i" y5 t) f7 t' ^+ v" T$ i6 M郭永怀是爆炸力学吧，不是搞空气动力学的？

郭永怀不止在一个方向上有开拓性的创新，高超音速上的热空气力学就是他提出来的，而且是非常前瞻性的。我们只吹捧了钱，郭作出的贡献不小于钱！如果不死，贡献是极大的。不过文革的时候也难说，他的夫人就被打成美国的战略特务

大黑蚊子

国防科大这个团队的人很缺论文么？
& |7 M+ c0 q/ Y9 b: c发这些破玩意儿有啥用，验证完自己内部开个小会评个奖嘲笑对面一顿不就得了呗

人家有在一条路上走到黑的自由

晨枫

大黑蚊子 发表于 2024-4-8 20:34
国防科大这个团队的人很缺论文么？
2 ], d5 K2 r9 C. J1 c4 @发这些破玩意儿有啥用，验证完自己内部开个小会评个奖嘲笑对面一顿不就 ...

切，还不许人家得瑟一下嘛。

晋升也是要论文的嘛。自己小会不算嘛。

huma

大黑蚊子 发表于 2024-4-9 10:34
/ z  T/ [' _; c9 G2 B7 y国防科大这个团队的人很缺论文么？
+ I  a) H1 p2 O0 ?- x  O发这些破玩意儿有啥用，验证完自己内部开个小会评个奖嘲笑对面一顿不就 ...

4 W' ~% i! V9 u, _2 s你还别说，真的怕不出名。改正了美帝的错误多有面子啊

ImPhili

我倒是觉得这事没那么严重。
- ~+ a& M, }6 \: ^% S4 b! a
首先，国防科大这种单位发论文肯定要通过保密审查，既然通过了审查就说明没有泄密的问题。另外，提示美国建造高超音速风洞在我看来很有可能就是个公开的挑逗加阳谋。难道美国人不知道高超音速风洞的重要性吗？要能造早就造了，不就是造不出来嘛。现在美国最快的风洞才3.5马赫，中国最新的JF-22超过30马赫，这都不是一个量级的东西了。不要讲美国能不能凑出这么多钱造风洞，就是有钱估计也没这个技术和施工能力了。我搜风洞建造成本（不过没搜到）的时候看到这篇挺有意思的文章：
! }1 R: X4 e! g
* r+ q) W1 i$ e2 jChina’s JF-22 hypersonic wind tunnel blows by US
1 [9 F+ U% \4 D8 thttps://asiatimes.com/2023/06/ch ... tunnel-blows-by-us/

里面提到了NASA的CFD软件和JF-22风洞。
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为什么用仿真软件，还不是因为NASA的风洞又老又慢嘛：
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During the 1960s and 1970s, all NASA space shuttles and space launch systems were tested in the California-based Unitary Plan Wind Tunnel at the NASA Ames Research Center. The tunnel could only reach Mach 2 to 3.5. More tests were conducted by digital simulation with computational fluid dynamics (CFD) software.
) Y! j7 f# J6 ?- t, Y$ U4 O4 Q6 C+ a
还有酸葡萄：
7 d; ^4 A  A2 {
However, a popular IT vlogger known as GeekLead said in a June 2020 video that China chooses to invest in wind tunnels because it lacks its own CFD software. He said senior Chinese officials usually favor investments in hardware over software as they prefer to see tangible results.

不过也不得不承认，中国风洞领先西方20-30年：

. B$ M; D& U9 S& C5 s5 h! I: eHan said then the JF-22, together with China’s JF-12 wind tunnel, would put China “about 20 to 30 years ahead” of the West. The JF-12 passed an acceptance check in May 2012 and can simulate flights of up to Mach 7.

  {5 ^/ H" ?3 W" X0 J  T: c总而言之，我觉得发这篇论文的目的就是遥遥领先的我们嘲笑一番远远落后的老美，然后欣赏他们气急败坏又无可奈何的样子

小木

可能一开始发布的就是错误信息，那也可能“改错”也是误导啊。

晨枫

ImPhili 发表于 2024-4-9 05:39
' C$ b7 K9 r, ]' d. C我倒是觉得这事没那么严重。
7 L& \# Z( h: e; P1 J
首先，国防科大这种单位发论文肯定要通过保密审查，既然通过了审查就说明没有 ...

这个vlogger可能是真心不懂数字仿真和风洞实测的差别。真干那一行的没有不想风洞的，哪怕有CFD。

自控可能是最早用数字仿真作为研究结果的学科之一，但从80-90年代开始，光有仿真，学术界已经不认了。本来就是数学，要是你推导和分析对了，仿真出来没有不对的。你要“实际数据”，无非是说明理论和实际有多接近。要么拿实际过程数据出来，要么闭嘴、莫谈实际。

gnomegordon

ImPhili 发表于 2024-4-9 19:39
9 z8 v4 o' \( d- C, }& k5 ]' K4 a我倒是觉得这事没那么严重。

首先，国防科大这种单位发论文肯定要通过保密审查，既然通过了审查就说明没有 ...

8 t, o% ~' D. o2 Q葡萄好酸啊， CFD 万岁！
+ `& U7 J/ ?/ F3 g+ M

  a- N/ i0 R# X# F' |2 F“你是说NASA故意发表错误的公式？当然是有可能的，但缺乏证据，也不符合NASA的技术传统。要是不想发表，索性保密不香吗，反正Volcan-CFD不对美国之外发售。”
8 K9 a8 i! K) I; L- O# v) `
以后这种事会发现得越来越多的，美帝一直有这个传统，只是魔鬼在细节，以前功力未到没发现罢了。