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中科院力學(xué)所激波風(fēng)洞 王靜 攝

　　一對情侶乘坐飛機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小時內(nèi)把這對情侶從東半球送到西半球。這他們的夢，更一首創(chuàng)新的戰(zhàn)歌。中科院力學(xué)所高溫氣動力學(xué)國家重點實驗室，正是熱情追逐個夢想的一支隊伍。

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

　　然而，60年來，空氣動力學(xué)家們在實現(xiàn)高超聲速飛行的征途中，可謂步履維艱。

　　三座大山壓頂

　　“任何飛行器實現(xiàn)飛行前，無一不進(jìn)行風(fēng)洞實驗。飛行器實現(xiàn)高超聲速飛行，會遇到三大難題。”他們講解。

　　當(dāng)飛行器進(jìn)行高超聲速飛行時，所遇到的空氣會發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)。這種現(xiàn)象超出了經(jīng)典氣體動力學(xué)的理論范疇，顛覆了傳統(tǒng)風(fēng)洞實驗相似模擬準(zhǔn)則，因此需要發(fā)展能夠復(fù)現(xiàn)飛行條件的風(fēng)洞實驗技術(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)動能力弱、流場尺度小、實驗時間短和測量精度低等問題。

　　為此，美國研制建設(shè)了國際上最先進(jìn)的加熱壓縮輕氣體的激波風(fēng)洞(LENS II)，可進(jìn)行實驗測試的時間為30ms左右。日本建設(shè)了國際上最大自由活塞激波風(fēng)洞(HIEST)，實驗測試時間約為2-3ms。中國在這個領(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)森曾提出一個論點，未來借助于火箭，從美國東部到西部可以在20分鐘內(nèi)抵達(dá)，《紐約時報》專門用了半版進(jìn)行報道。

　　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)所推動著我國激波管、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力學(xué)的基礎(chǔ)研究團(tuán)隊。

　　高溫氣動力學(xué)國家重點實驗室作為錢學(xué)森、郭永懷的后來者，自2000年以來，著力發(fā)展性能指標(biāo)超過歐美國家最先進(jìn)水平的激波風(fēng)洞。2008年，為落實《國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》的重要舉措，國家財政部和中國科學(xué)院聯(lián)合支持了8個“國家重大科研裝備研制項目”，旨在突破我國重大科研裝備引進(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”項目(JF12風(fēng)洞)成為這8個試點項目之一。

　　中國建立新的里程碑

　　實驗室的老中青科學(xué)家們，沒有給長輩丟臉。他們先后發(fā)展了大功率激波風(fēng)洞驅(qū)動技術(shù)、長實驗時間激波風(fēng)洞技術(shù)、復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞測量技術(shù)等三個方面、九項具體內(nèi)容，構(gòu)成了復(fù)現(xiàn)飛行條件激波風(fēng)洞實驗技術(shù)的主體，并獲得了多項發(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)動技術(shù)，利用爆轟高速釋放化學(xué)能替代機械能，解決了起爆、高品質(zhì)氣源生成和安全應(yīng)用等難題，實現(xiàn)了爆轟驅(qū)動能力的可控與可調(diào)，成為高超聲速風(fēng)洞的新型驅(qū)動模式。

　　他們提出的長實驗時間激波風(fēng)洞技術(shù)，集成了爆轟驅(qū)動激波風(fēng)洞縫合運行、真空系統(tǒng)起動激波反射干擾控制和激波/邊界層干涉試驗氣體污染抑制技術(shù)，使得JF12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞有效實驗時間達(dá)到130ms，實現(xiàn)了量級的提升。

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

　　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，使每一個階段目標(biāo)的實現(xiàn)，都成為領(lǐng)域內(nèi)里程碑式進(jìn)展。

　　亞洲的自信和自豪

　　這支隊伍的研究進(jìn)展雖很少在中國公眾面前提及，但一直被美國航空航天學(xué)會旗下《美國宇航》持續(xù)關(guān)注和跟蹤報道。團(tuán)隊負(fù)責(zé)人姜宗林應(yīng)邀在2014年AAIA SciTech會議上做邀請報告，2015年被授予美國航空航天學(xué)會副會士榮譽。2016年6月14日，為嘉獎姜宗林在“構(gòu)思、發(fā)展、運行世界最大復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”的卓越引領(lǐng)能力，美國航空航天學(xué)會授予他地面試驗獎(AIAA Ground Testing Award)。姜宗林由此成為該獎項設(shè)立41年來第一次獲獎的中國學(xué)者，也是亞洲科學(xué)家第一次獲此殊榮。

　　總長為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)森國家工程科學(xué)實驗基地內(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，也是我國自主研制大型、先進(jìn)科研裝備的先例。

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