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中科院力學(xué)所激波風(fēng)洞 王靜 攝

　　一對(duì)情侶乘坐飛機(jī)飛越高山大海前往遠(yuǎn)方，溫馨而浪漫。當(dāng)此情景出現(xiàn)在空氣動(dòng)力學(xué)家眼前的那一刻，他們心中燃起的是另一種情懷，抑或是一種創(chuàng)造的激情。他們期待在2小時(shí)內(nèi)把這對(duì)情侶從東半球送到西半球。這他們的夢(mèng)，更一首創(chuàng)新的戰(zhàn)歌。中科院力學(xué)所高溫氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，正是熱情追逐個(gè)夢(mèng)想的一支隊(duì)伍。

　　如果有機(jī)會(huì)走進(jìn)實(shí)驗(yàn)基地，他們會(huì)告訴你，目前一般民航客機(jī)的飛行速度大約0.8馬赫數(shù)，即900公里/小時(shí)左右，戰(zhàn)斗機(jī)可達(dá)2-3馬赫數(shù)，相當(dāng)于2000-3500公里/小時(shí)，高超聲速空天飛行器則超過5400公里/小時(shí)，甚至達(dá)到10000公里/小時(shí)。自1903年懷特兄弟首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)力飛行百余年來，空氣動(dòng)力學(xué)家們從亞聲速時(shí)代突進(jìn)了超聲速時(shí)代。如今，高超聲速飛行，已成為空氣動(dòng)力學(xué)家們追尋的新目標(biāo)：即在2小時(shí)內(nèi)把情侶們從東半球送到西半球的速度。

　　然而，60年來，空氣動(dòng)力學(xué)家們?cè)趯?shí)現(xiàn)高超聲速飛行的征途中，可謂步履維艱。

　　三座大山壓頂

　　“任何飛行器實(shí)現(xiàn)飛行前，無一不進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。飛行器實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，會(huì)遇到三大難題。”他們講解。

　　當(dāng)飛行器進(jìn)行高超聲速飛行時(shí)，所遇到的空氣會(huì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)。這種現(xiàn)象超出了經(jīng)典氣體動(dòng)力學(xué)的理論范疇，顛覆了傳統(tǒng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相似模擬準(zhǔn)則，因此需要發(fā)展能夠復(fù)現(xiàn)飛行條件的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)。激波風(fēng)洞是典型脈沖設(shè)備，具有復(fù)現(xiàn)飛行條件的潛力，但需要解決傳統(tǒng)風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)能力弱、流場(chǎng)尺度小、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短和測(cè)量精度低等問題。

　　為此，美國(guó)研制建設(shè)了國(guó)際上最先進(jìn)的加熱壓縮輕氣體的激波風(fēng)洞(LENS II)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的時(shí)間為30ms左右。日本建設(shè)了國(guó)際上最大自由活塞激波風(fēng)洞(HIEST)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間約為2-3ms。中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究中，如何表現(xiàn)?

　　據(jù)悉，早在20世紀(jì)中葉，錢學(xué)森曾提出一個(gè)論點(diǎn)，未來借助于火箭，從美國(guó)東部到西部可以在20分鐘內(nèi)抵達(dá)，《紐約時(shí)報(bào)》專門用了半版進(jìn)行報(bào)道。

　　上世紀(jì)50年代，中科院力學(xué)所研究員郭永懷預(yù)見到脈沖型風(fēng)洞設(shè)備的重要性，便支持其學(xué)生俞鴻儒開展研究。自此，中科院力學(xué)所推動(dòng)著我國(guó)激波管、激波風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展，并就此拉開了應(yīng)用于航天器研制的序幕，并逐漸形成了一支高溫氣體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)。

　　高溫氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為錢學(xué)森、郭永懷的后來者，自2000年以來，著力發(fā)展性能指標(biāo)超過歐美國(guó)家最先進(jìn)水平的激波風(fēng)洞。2008年，為落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》的重要舉措，國(guó)家財(cái)政部和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合支持了8個(gè)“國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目”，旨在突破我國(guó)重大科研裝備引進(jìn)與仿制的傳統(tǒng)模式，探索自主創(chuàng)新發(fā)展我國(guó)重大科研裝備的途徑，“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”項(xiàng)目(JF12風(fēng)洞)成為這8個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目之一。

　　中國(guó)建立新的里程碑

　　實(shí)驗(yàn)室的老中青科學(xué)家們，沒有給長(zhǎng)輩丟臉。他們先后發(fā)展了大功率激波風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)技術(shù)、長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間激波風(fēng)洞技術(shù)、復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞測(cè)量技術(shù)等三個(gè)方面、九項(xiàng)具體內(nèi)容，構(gòu)成了復(fù)現(xiàn)飛行條件激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)的主體，并獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利授權(quán)，發(fā)表了一系列論文。終于在2012年建成國(guó)際首座復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞(JF12)。

　　在高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞(JF12)的建造過程中，他們創(chuàng)建的大功率激波風(fēng)洞爆轟驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用爆轟高速釋放化學(xué)能替代機(jī)械能，解決了起爆、高品質(zhì)氣源生成和安全應(yīng)用等難題，實(shí)現(xiàn)了爆轟驅(qū)動(dòng)能力的可控與可調(diào)，成為高超聲速風(fēng)洞的新型驅(qū)動(dòng)模式。

　　他們提出的長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間激波風(fēng)洞技術(shù)，集成了爆轟驅(qū)動(dòng)激波風(fēng)洞縫合運(yùn)行、真空系統(tǒng)起動(dòng)激波反射干擾控制和激波/邊界層干涉試驗(yàn)氣體污染抑制技術(shù)，使得JF12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到130ms，實(shí)現(xiàn)了量級(jí)的提升。

　　復(fù)現(xiàn)飛行條件造成大沖擊載荷、強(qiáng)氣流沖刷以及高溫?zé)岘h(huán)境，使得一些傳感器難以生存，測(cè)量技術(shù)面臨極大挑戰(zhàn)。他們提出的高頻響大量程測(cè)力系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、天平干擾信號(hào)波系適配分離和高精度熱電偶技術(shù)，把高焓激波風(fēng)洞測(cè)力精度提高一個(gè)量級(jí)、測(cè)熱精度提高了一倍。

　　他們就這樣摸索著前進(jìn)和提高，將創(chuàng)新融入日常工作之中，持之以恒地追求，使每一個(gè)階段目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，都成為領(lǐng)域內(nèi)里程碑式進(jìn)展。

　　亞洲的自信和自豪

　　這支隊(duì)伍的研究進(jìn)展雖很少在中國(guó)公眾面前提及，但一直被美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)旗下《美國(guó)宇航》持續(xù)關(guān)注和跟蹤報(bào)道。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人姜宗林應(yīng)邀在2014年AAIA SciTech會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告，2015年被授予美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)副會(huì)士榮譽(yù)。2016年6月14日，為嘉獎(jiǎng)姜宗林在“構(gòu)思、發(fā)展、運(yùn)行世界最大復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”的卓越引領(lǐng)能力，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)授予他地面試驗(yàn)獎(jiǎng)(AIAA Ground Testing Award)。姜宗林由此成為該獎(jiǎng)項(xiàng)設(shè)立41年來第一次獲獎(jiǎng)的中國(guó)學(xué)者，也是亞洲科學(xué)家第一次獲此殊榮。

　　總長(zhǎng)為265米的復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞(JF12)，如今靜靜地躺在北京懷柔雁棲湖畔錢學(xué)森國(guó)家工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)。他既是迄今為止世界上最大、性能最先進(jìn)的激波風(fēng)洞，也是我國(guó)自主研制大型、先進(jìn)科研裝備的先例。

　　研究團(tuán)隊(duì)從創(chuàng)新概念研究、關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、工程集成發(fā)展、裝備安裝調(diào)試、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究的全過程，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)狀態(tài)從“模擬”到“復(fù)現(xiàn)”的跨越，在國(guó)家重大任務(wù)實(shí)施和高溫氣動(dòng)學(xué)科前沿探索方面發(fā)揮了不可替代的作用。不久前，這項(xiàng)增強(qiáng)國(guó)人自信心和自豪感的重要成果，榮獲2016年度中國(guó)科學(xué)院杰出成就獎(jiǎng)，也獲得了2016年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。