攻克世界难题,中国超级风洞的来龙去脉

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  • 科普中国
  • 2019-10-28 15:43

21世纪将是高超声速空天飞行的世纪,先进的空天飞行器速度超过5000公里/小时甚至达到10000公里/小时,能够不断提高人类“进入空间”、“探索空间”和“利用空间”的能力,成为各国之间科技竞争的热点和国家实力的象征。

正所谓“一代风洞、一代飞行器”,风洞是空天飞行器研究的最可靠的实验手段,因此这场角逐的基础就是拥有先进的地面实验风洞。面对这场角逐,中国是绝对不能缺席、不能落后的。

目前中国拥有两座世界领先的超级风洞,而在它们的背后,凝结了中科院力学所几代人的心血。

中国的两座超级风洞

2008年,“国家重大科研装备研制”项目支持了 “复现高超声速飞行条件激波风洞(JF12复现风洞)”的研制,旨在建立飞行高度25-50公里、飞行速度1.5-3公里/秒、气流总温1500-3500度、喷管出口直径2.5米的复现高超声速飞行条件实验能力。著名空气动力学家张涵信院士曾评价为“创新理论、成功实践、中国制造、国际领先”。2016年,JF12复现风洞项目负责人姜宗林获得美国航空航天学会“地面试验奖”,标志着该风洞达到世界领先水平,并得到国际同行广泛认可。

2018年,国家自然科学基金委员会“国家重大科研仪器研制”项目立项支持“爆轰驱动超高速高焓激波风洞(JF22超高速风洞)”研制,旨在建立飞行高度40-80公里、飞行速度3-10公里/秒、气流总温3000-10000度、喷管出口直径2.5米的超高速高焓流动试验研究能力。

这两座超级风洞的建设,将为共同国家构建全面覆盖高超声速飞行走廊的“地面飞行”气动实验平台,推动高超声速与高温气体动力学学科发展,大幅提升我国先进高超声速空天飞行器的研发实力。

上世纪50年代:我国开始高超声速研究

1946年,钱学森先生定义了高超声速飞行(一般指马赫数大于5)。1950年,钱学森在美国受到不公正待遇,并被阻止回国;直到1955年,通过国家的大力营救,钱学森才平安回到祖国,筹建中国科学院力学研究所。1956年1月,陈毅副总理批复力学研究所成立,任命钱学森担任所长;同年,在钱学森的影响下,郭永怀先生回到力学所工作,长期担任力学所的常务副所长。

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钱学森(1911-2009),中科院力学所创始人、首任所长,两弹一星功勋科学家,提出卡门—钱公式、高超声速概念等。

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郭永怀(1909-1968),中科院力学所常务副所长,两弹一星功勋科学家,提出上临界马赫数、PLK方法等。

钱学森和郭永怀先生高瞻远瞩,战略性地部署了我们国家的高超声速飞行相关研究。郭永怀先生预见到脉冲型风洞设备的重要性,便支持他的学生俞鸿儒(后来成为中科院院士)开展研究。自此,中科院力学所推动着我国激波管、激波风洞技术的发展,并拉开了应用于航天器研制中的序幕,同时逐渐形成一支高温气体动力学基础研究团队。

这支队伍面向国家重大需求、面向国际学术前沿,致力于高超声速、高温气体动力学方面研究。他们淡泊名利,心系国家需求,集智攻关,潜心探索研究世界难题;他们胸怀激情,背负责任,义无反顾地踏上了这充满未知的征程。

从0到1的突破

俞鸿儒当时刚满28岁,考上了钱学森和郭永怀的研究生。作为我国高超声速研究的第二代科学家,他把一生都投入了风洞之中。在两位导师的支持下,俞鸿儒选择了氢氧燃烧驱动激波管的研究方向,由于气流品质低,易出事故,这种实验方法在当时并不被国际认可,但是,由于当时国内物资匮乏,只能选择这种成本低廉的办法,俞鸿儒还是选择迎难而上。俞鸿儒曾回忆道:“后来我们出了好多次事故,一次最严重的事,把实验室的房子都炸了”。

1958年,历经数次实验的失败,俞鸿儒最终成功研制出了我国第一代激波管,这让中国人在风洞研究领域,实现了从0到1的突破。1962-1964年,先后研制成JF4直通型激波风洞和JF4A反射型激波风洞;4年后,JF8激波风洞问世,性能参数达到国际水平;上世纪九十年代,建成氢氧爆轰驱动高焓激波风洞(JF10),成为国际首座成功运行的爆轰驱动激波风洞,为我国高超声速风洞的研究奠定了坚实的基础,而俞鸿儒也从风华正茂的年轻人变成年近七旬的长者。1999年,俞鸿儒院士将姜宗林引进回国,加入这支由钱学森和郭永怀创立、历经半个世纪的科研团队。

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俞鸿儒院士

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JF8A高超声速激波风洞/炮风洞

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JF10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞

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激波风洞团队主要成员合影

高超声速“地面飞行”实验 只有中国能做

业内常言“一代风洞、一代飞行器”,风洞是飞行器的“摇篮”,飞行器研发必须经过成千上万次的风洞试验,对空气动力学参数进行考证和改进。

临近空间飞行器和天地往返飞行器速度范围覆盖了1.5-10公里/秒、飞行高度20-80公里,几乎涵盖了整个大气层。对应于这样的飞行条件,飞行器周围的空气不再是一成不变的双原子理想介质,空气分子微团发生了复杂的热化学过程,包括分子振动激发、解离与复合、电离等现象,颠覆了传统风洞实验相似模拟准则。因此,地面实验装置必须具备能够反映“高超声速流动独有的热化学反应机制”的能力,使得地面设备的实验条件与飞行条件接近或者一致,即实现“地面飞行”实验。

“地面飞行”实验六十年研发步履艰难,主要根源为传统高超声速风洞驱动功率小、实验时间短、测量精度低,从而导致流动参数失真、气体介质特性失真和实验模型几何尺度失真。因此,“地面飞行”实验难度极大,可谓难于上青天。

目前,国际上仅有中国的JF12复现风洞(已建)和JF22超高速风洞(在建)具备高超声速“地面飞行”实验的能力。JF12复现风洞已经北京怀柔美丽的雁栖湖畔建成,构成了“钱学森国家工程科学实验基地”的重要部分,是中国科学院北京怀柔科教产业园的第一个落户启动的项目。2016年,该产业园已经在国家层面升级成为世界级原始创新战略高地——怀柔科学城。

JF12复现风洞总长265米,是迄今世界上最大、性能最先进的激波风洞,成就了我国自主研制大型、先进科研装备的先例,开创了我国大型气动实验装备建设由仿制向创新研制转变的新纪元:(1)提出大功率激波风洞爆轰驱动技术,变革了国际主流机械压缩模式;(2)提出长实验时间激波风洞技术,有效实验时间提升一个量级;(3)提出复现风洞高精度测量技术,大幅度提升极端条件下测量精准度。

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JF12复现高超声速飞行条件激波风洞

苦尽甘来、成绩斐然

在姜宗林研究员的带领下,JF12复现风洞经过4年建设,于2012年5月顺利通过验收,验收委员会一致认为,该风洞同时实现了四项关键技术指标,整体性能处于国际领先水平。2015年,中国空气动力学会组织的鉴定委员会认为,该风洞实验状态从“模拟”到“复现”的跨越,攻克了60年来久攻未破的世界难题,代表了国际高超声速风洞技术的领先水平,对于新世纪宇航技术发展具有开创性影响。

JF12复现风洞已成功应用于两个国家重大专项和航天部门多个型号的重大特种试验,对专项关键技术突破、新型号研发和气动规律认知发挥了不可替代的关键作用,在推动我国高超声速学科发展和避免飞行试验风险方面产生了重大社会效益,得到了相关单位的高度评价。

2013年以来,美国政府持续关注JF12复现风洞,并在报告中指出:中科院力学所开展宇航等领域的科技创新和高技术集成,研制JF12风洞能够复现马赫数5-9飞行条件,将支撑中国宇航领域民用与军用部门的研发。

2015年,《美国宇航》(Aerospace America)年度国际进展综述,两篇专题报道分别阐述了JF12复现风洞的研究成果,并评价为的基础性意义。

2016年,美国航空航天学会授予姜宗林2016年度AIAA Ground Testing Award(地面试验奖),以表彰其创新地面试验技术、引领激波风洞发展的成就。这是该国际奖项设立41年来中国学者首次获奖,也是亚洲科学家首次获奖。

2017年,JF12复现风洞先后获得“国家技术发明二等奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”。

2018年,激波风洞团队荣获中华总工会“全国工人先锋号”。

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2016年6月,姜宗林研究员获得美国航空航天学会地面试验奖

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2017年1月,激波风洞团队获得“国家技术发明二等奖”

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2017年1月,激波风洞团队获得“中科院杰出科技成就奖”

再次刷新国际高度

针对飞行高度40-80公里、飞行速度3-10公里/秒的飞行,如何在目前的地面实验研究中复现真实气体效应和高温边界层物理过程,是现有地面高超声速风洞遇到的关键难题。研制大型的超高速高焓风洞、发展相应的高焓风洞实验测量技术,对于揭示真实气体效应和高超声速边界层发展机制、认识高超声速热化学反应相关的相似律和尺度率、评估临近空间飞行器的气动特性具有非常重要的意义。JF22超高速风洞将与JF12复现风洞,一同构建我国全面覆盖高超声速飞行走廊的“地面飞行”实验平台,推动高超声速与高温气体动力学学科发展,支撑我国临近空间高超声速飞行器的研发。

中国科学院院士、中国力学学会理事长杨卫在文章评价道:“姜宗林先生正在主持建设一个全新的JF22 超高速风洞,思路从反向爆轰转为正向爆轰。这也是国家自然科学基金资助的重大仪器项目,建成后的实验所覆盖的马赫数可以达到10-25,其实验温度、实验区域、实验时间等指标也都不错。这个正在建设之中的装置将为更高速的飞行奠定实验基础。”

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JF22爆轰驱动超高速高焓激波风洞(在建)

牢记使命、创新传承

团队秉承钱学森和郭永怀所倡导的以国家需求为己任、勇于研究重大国际前沿学科问题的科研理念,在不断探索中逐步提高,将创新融入日常的工作,并持之以恒地追求,每一个阶段的目标的实现都成为领域内的里程碑式的进展。

如今,这支团队又凝聚了一批青年才俊。团结和协作是该团队的核心价值之一,是“老中青”的结合,是“传帮带”的杰作,是能够不断提出创新思想并真正实现的源动力。创新是团队的特色和任务,也是团队里每一个角色努力的结果。他们铸就了高超声速“地面飞行”实验的国际新高度,为祖国空气动力学事业谱写了一曲催人奋进的战歌。

在新中国成立70周年之际,这支队伍以行动向祖国交付了一份生动的答卷,诠释了“何为创新、为何创新、为谁创新”:

创新,是历史的使命,更是家国的情怀;

创新,是向传统致敬,更是深厚积淀之后的爆发;

创新,是个体灿烂的智慧,更是团队默默无闻的奉献;

创新,是殉道者般的坚持,更是春暖花开的浪漫。

出品:科普中国

制作:姜宗林 韩桂来 (中国科学院力学研究所)

监制:中国科学院计算机网络信息中心


来源:科普中国

作者:姜宗林 韩桂来

编辑:jiyang

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本文链接: https://www.aiust.com/article/20191028/1082.html

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