廣告原標(biāo)題：打造新一代空天飛行器研發(fā)重器——記國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“爆轟驅(qū)動(dòng)超高速高焓激波風(fēng)洞”
今年12月，我國(guó)航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森誕辰112周年之際，站在新落成的長(zhǎng)達(dá)167米、能復(fù)現(xiàn)每秒10公里超高速飛行速度的超級(jí)風(fēng)洞前，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員姜宗林向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示：“錢學(xué)森在論述科學(xué)精神時(shí)曾說(shuō)，是不是真正的創(chuàng)新，就看是不是敢于研究別人沒(méi)有研究過(guò)的科學(xué)前沿問(wèn)題。我們用這個(gè)獨(dú)立自主研發(fā)的大國(guó)重器支持我國(guó)的宇航事業(yè)奔赴星辰大海，正是對(duì)錢先生的最好告慰?！?span style="display:none">Wx1即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
自2018年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目（部門推薦）“爆轟驅(qū)動(dòng)超高速高焓激波風(fēng)洞”（以下簡(jiǎn)稱JF-22超高速風(fēng)洞）的支持下，姜宗林帶領(lǐng)激波風(fēng)洞團(tuán)隊(duì)依據(jù)我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的“激波反射型正向爆轟驅(qū)動(dòng)”方法，把國(guó)際上普遍認(rèn)為“不能用”的正向爆轟變?yōu)椤翱捎谩焙汀昂糜谩钡尿?qū)動(dòng)能源，成功研制出JF-22超高速風(fēng)洞。
今年5月，該項(xiàng)目完成結(jié)題驗(yàn)收。驗(yàn)收專家組一致認(rèn)為，該風(fēng)洞在有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間、總溫、總壓和噴管流場(chǎng)尺寸等綜合性能指標(biāo)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
JF-22超高速風(fēng)洞。研究團(tuán)隊(duì)供圖
前瞻引領(lǐng)，打造大國(guó)重器
人類有一個(gè)航空航天夢(mèng)，總是想飛得更快、更高、更遠(yuǎn)。早在20世紀(jì)50年代，錢學(xué)森首先定義了“高超聲速飛行”的概念。未來(lái)，新一代飛行器可以達(dá)到時(shí)行萬(wàn)里、實(shí)現(xiàn)國(guó)際出行的早出晚歸。
而新一代空天飛行器的研發(fā)離不開(kāi)重要的科學(xué)裝置——高超聲速風(fēng)洞。高超聲速風(fēng)洞通過(guò)人工方式產(chǎn)生并控制高速氣流，模擬飛行器周圍氣體的流動(dòng)情況，獲得飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)特性，相當(dāng)于在地面上人為建造一個(gè)“飛行天空”。
飛行器的速度越快，要求風(fēng)洞產(chǎn)生的“風(fēng)”越大?？茖W(xué)家用飛行速度與聲速之比——“馬赫數(shù)”度量飛行速度。在高超聲速飛行中，飛行器巨大的動(dòng)能將產(chǎn)生強(qiáng)烈的頭部激波和摩擦阻力，把飛行器周圍的空氣加熱到數(shù)千攝氏度甚至上萬(wàn)攝氏度，引起空氣分子發(fā)生解離、原子電離等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。
“飛行器周邊的空氣起熱化學(xué)反應(yīng)，這類現(xiàn)象超出了傳統(tǒng)氣體動(dòng)力學(xué)的研究范疇，需要?jiǎng)?chuàng)立新的理論去描述，打造新的風(fēng)洞去試驗(yàn)?！苯诹直硎荆靶滦涂仗祜w行器研發(fā)的地面試驗(yàn)需要性能更強(qiáng)大的高超聲速風(fēng)洞。”
基于這一科學(xué)前沿問(wèn)題和國(guó)家航空航天重大需求，2017年底，激波風(fēng)洞團(tuán)隊(duì)向國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)提出了國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目申請(qǐng)，并獲得資助。作為科學(xué)基金資助體系的重要組成部分，國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目重點(diǎn)資助對(duì)促進(jìn)科學(xué)發(fā)展、探索自然規(guī)律和開(kāi)拓研究領(lǐng)域具有重要作用的原創(chuàng)性科研儀器的研制。
2018年全國(guó)力學(xué)大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士楊衛(wèi)透露：“正在建設(shè)中的JF-22超高速風(fēng)洞將為更高速的飛行奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?！?span style="display:none">Wx1即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
在國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目的支持下，激波風(fēng)洞團(tuán)隊(duì)以滿足工程需求為目的，挑戰(zhàn)先進(jìn)風(fēng)洞技術(shù)指標(biāo)的極限，全心投入前所未有的JF-22超高速風(fēng)洞研制中，于2021年底完成安裝，進(jìn)入性能調(diào)試階段。
2022年4月15日，JF-22超高速風(fēng)洞完成首次運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)天是姜宗林的生日，JF-22超高速風(fēng)洞的成功運(yùn)行為他送上了一份珍貴禮物。隨著轟的一聲爆轟，控制室中電腦屏幕上的數(shù)據(jù)顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
2023年上半年，JF-22超高速風(fēng)洞迎來(lái)真正意義上的“大考”。該國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目驗(yàn)收期間，共進(jìn)行了5次專家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。首次測(cè)試中，實(shí)際流場(chǎng)速度高達(dá)每秒10.08公里，總溫達(dá)1.9萬(wàn)開(kāi)爾文（K），總壓達(dá)3.3萬(wàn)多個(gè)大氣壓。優(yōu)異的性能參數(shù)令在場(chǎng)專家驚嘆不已。
“我們感到很振奮。我把這次測(cè)試的實(shí)驗(yàn)記錄寫(xiě)到了專家與團(tuán)隊(duì)上?！苯诹只貞浾f(shuō)。
JF-22超高速風(fēng)洞具有尺度大、時(shí)間長(zhǎng)、總溫和總壓高等特點(diǎn)，能夠復(fù)現(xiàn)40公里至90公里高空、每秒2.5公里至10公里的飛行速度。實(shí)測(cè)最高速度達(dá)每秒10.1公里，如果以實(shí)驗(yàn)室聲速度量，相當(dāng)于約30倍聲速的飛行條件。
“JF-22超高速風(fēng)洞的綜合性能在世界上還沒(méi)有其他風(fēng)洞可以相比?！苯诹肿孕诺卣f(shuō)。
廿年一劍，復(fù)現(xiàn)軌道速度
早在60年前，科學(xué)家就開(kāi)始探索“正向爆轟驅(qū)動(dòng)”方法，為建造高性能激波風(fēng)洞做準(zhǔn)備。
“爆轟”是激波風(fēng)洞用來(lái)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大氣流的一種方法，即混合的氫氣和氧氣被點(diǎn)燃，燃燒激波在管道內(nèi)以高于聲速的速度傳播。根據(jù)點(diǎn)火位置的不同，驅(qū)動(dòng)形式分為“正向”和“反向”兩種。和“反向”驅(qū)動(dòng)相比，正向爆轟可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生更大的空氣動(dòng)量，產(chǎn)生高超聲速飛行條件下的氣流。
但是，正向爆轟驅(qū)動(dòng)方式受“稀疏波”的干擾，難以滿足激波風(fēng)洞的驅(qū)動(dòng)要求。如何應(yīng)對(duì)“稀疏波”的干擾，“用好”正向爆轟驅(qū)動(dòng)方式，是打造超高速風(fēng)洞面臨的世界級(jí)難題，需要在理論和技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)突破。
2002年，姜宗林團(tuán)隊(duì)從原理上革新，提出并設(shè)計(jì)了激波反射型正向爆轟驅(qū)動(dòng)器。這有效改進(jìn)了驅(qū)動(dòng)氣流的平穩(wěn)性，使正向爆轟從“不能用”變成了“能用、好用”的動(dòng)力源，成為JF-22超高速風(fēng)洞的核心技術(shù)。
從2002年學(xué)術(shù)論文發(fā)表，到2023年JF-22超高速風(fēng)洞驗(yàn)收，中國(guó)科學(xué)家“二十年磨一劍”，實(shí)現(xiàn)了超高速風(fēng)洞試驗(yàn)狀態(tài)從流動(dòng)“模擬”到關(guān)鍵參數(shù)“復(fù)現(xiàn)”的跨越。
在北京懷柔錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)基地空天實(shí)驗(yàn)中心，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》看到，與JF-22超高速風(fēng)洞并排的是JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，即“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”。
JF-22超高速風(fēng)洞的研制離不開(kāi)JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞積累的經(jīng)驗(yàn)。2008年，在首批國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目的支持下，JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞立項(xiàng)，2012年完成項(xiàng)目驗(yàn)收，確立了我國(guó)在這個(gè)研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。
如今，JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞經(jīng)歷10年的試驗(yàn)應(yīng)用，在國(guó)家重大任務(wù)、多個(gè)型號(hào)研制和學(xué)科前沿問(wèn)題探索中，完成了一系列的重要科學(xué)試驗(yàn)。激波風(fēng)洞研究團(tuán)隊(duì)因此獲得了2016年度中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)。
如今，這兩座風(fēng)洞可分別實(shí)現(xiàn)每秒1.5公里至3公里和每秒3公里至10公里的實(shí)驗(yàn)條件，共同構(gòu)成覆蓋馬赫數(shù)5~30、飛行高度25~90公里的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使我國(guó)成為高超聲速領(lǐng)域唯一具備覆蓋全部“飛行走廊”實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膰?guó)家。
傳承四代，書(shū)寫(xiě)傳奇故事
追溯更早的歷史，JF-22超高速風(fēng)洞成功的背后，是中國(guó)科學(xué)院四代科學(xué)家連續(xù)60多年持續(xù)奮斗，書(shū)寫(xiě)的一段傳承創(chuàng)新、艱苦奮斗的傳奇故事。
20世紀(jì)50年代中期，錢學(xué)森與“兩彈一星”元?jiǎng)坠缿丫椭贫烁叱曀亠L(fēng)洞的研究方向，在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所組建了激波風(fēng)洞科研團(tuán)隊(duì)。
剛剛考上錢學(xué)森和郭永懷研究生的俞鴻儒接過(guò)發(fā)展激波管技術(shù)、研制激波風(fēng)洞的重任。面對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)不足、科研經(jīng)費(fèi)短缺的難題，俞鴻儒選擇了當(dāng)時(shí)國(guó)際上已經(jīng)棄用的驅(qū)動(dòng)方式——?dú)溲跞紵?qū)動(dòng)，但這種方式產(chǎn)生的能量極大、極易發(fā)生爆炸，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。作為我國(guó)高超聲速研究的第二代科學(xué)家，俞鴻儒把一生都投入到這項(xiàng)事業(yè)中。
經(jīng)過(guò)一次又一次的反復(fù)試錯(cuò)，我國(guó)的風(fēng)洞研究終于“炸”出了一條新路——我國(guó)第一代激波管，第一座大型高超聲速風(fēng)洞JF-8激波風(fēng)洞，高超聲速風(fēng)洞JF4B、JF8、JF10等先后問(wèn)世。
1999年，在俞鴻儒的邀請(qǐng)下，從事激波動(dòng)力學(xué)研究的姜宗林回國(guó)，成為第三代“風(fēng)洞人”。“當(dāng)時(shí)，俞先生告訴我，錢先生和郭先生創(chuàng)立的團(tuán)隊(duì)需要青年人傳承。這個(gè)團(tuán)隊(duì)要緊盯國(guó)家需求和世界難題?！苯诹终f(shuō)。
“因?yàn)閲?guó)家需要，所以熱愛(ài)這份事業(yè)?！苯诹滞瑯訉?duì)團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)，“只有把事業(yè)和國(guó)家需求聯(lián)系在一起，事業(yè)才有尺度；只有把事業(yè)與世界難題聯(lián)系在一起，事業(yè)才有高度?！彼麕ьI(lǐng)激波風(fēng)洞團(tuán)隊(duì)秉承“求實(shí)求是”的科研理念，傳承了“成功不必在我，功成必定有我”的家國(guó)情懷。
他們完成了JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞和JF-22超高速風(fēng)洞的研制，撰寫(xiě)了國(guó)際首部系統(tǒng)論述超高速激波風(fēng)洞理論和技術(shù)的英文專著，奠定了中國(guó)高超聲速風(fēng)洞的世界地位。
2016年，為表彰姜宗林在世界最大高超聲速激波風(fēng)洞研究中所作的貢獻(xiàn)，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)將象征該領(lǐng)域最高榮譽(yù)的“地面試驗(yàn)獎(jiǎng)”頒給了他。這是這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)成立40多年來(lái)首次頒發(fā)給中國(guó)科學(xué)家，乃至亞洲科學(xué)家。
如今，姜宗林的學(xué)生作為第四代“風(fēng)洞人”，正在接過(guò)前輩科學(xué)家手中的接力棒，為我國(guó)在高超聲速風(fēng)洞領(lǐng)域的研究注入新動(dòng)力。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：你在研制JF-22超高速風(fēng)洞這一重大科研儀器的過(guò)程中，對(duì)工程科學(xué)有哪些思考？
姜宗林：JF-22超高速風(fēng)洞是幾代科學(xué)家多年艱苦奮斗的結(jié)晶，離不開(kāi)錢先生和郭先生的高瞻遠(yuǎn)矚，也離不開(kāi)俞先生的無(wú)私奉獻(xiàn)。中國(guó)高超聲速風(fēng)洞的理論創(chuàng)新與工程實(shí)踐，正是堅(jiān)持工程科學(xué)發(fā)展觀的真實(shí)寫(xiě)照。
在中國(guó)高超聲速風(fēng)洞60多年的研發(fā)過(guò)程中，我國(guó)科學(xué)家提出了系統(tǒng)的爆轟驅(qū)動(dòng)超高速風(fēng)洞理論。該理論包含了反向爆轟耦合真空卸爆概念、激波反射型正向爆轟驅(qū)動(dòng)方法、長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間激波風(fēng)洞理論。
這些理論有其模擬工程實(shí)際的一面，也符合自然科學(xué)原理。中國(guó)高超聲速風(fēng)洞基于爆轟現(xiàn)象的基本原理，解決了高超聲速風(fēng)洞工程的需求，并得到了工程實(shí)踐的驗(yàn)證。工程科學(xué)的發(fā)展沒(méi)有最好，只有更好。這取決于我們對(duì)于物理規(guī)律的認(rèn)知和模擬。
《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：你對(duì)JF-22超高速風(fēng)洞的未來(lái)應(yīng)用，有哪些計(jì)劃與期待？
姜宗林：高超聲速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為我國(guó)的高超聲速發(fā)展提供了強(qiáng)大工具，我們現(xiàn)在可以開(kāi)展那些“能人所不能、做人所難做、精人所不精”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，解決那些“做不了、做不好、做不精”的問(wèn)題。
例如，近期我們?cè)谔剿饕环N兩級(jí)入軌空天飛行器的超高速動(dòng)態(tài)分離，這是以前做不了的試驗(yàn)。與火箭的垂直起降不同，這種空天飛行器可以水平起降，飛到距離地面30公里至40公里的高度，然后第二級(jí)起飛，繼續(xù)往上飛到軌道上。研究這種飛行器兩級(jí)分離理論和技術(shù)，對(duì)于指導(dǎo)空天飛行器的設(shè)計(jì)具有重要意義。
我們還計(jì)劃應(yīng)用JF-22超高速風(fēng)洞繼續(xù)開(kāi)展我們自主研發(fā)的“駐定斜爆轟沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)”試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)的跨越式發(fā)展。
目前，JF-22超高速風(fēng)洞在各項(xiàng)指標(biāo)上都處于國(guó)際領(lǐng)先地位。我們期待在國(guó)家有關(guān)部門的支持下，能夠把握這一機(jī)遇，建立大科學(xué)裝置可持續(xù)運(yùn)行的有效工作機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)儀器共享與前沿交叉學(xué)科合作研究的支持。
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