科技公园文/田梦
中华上下五千年,浪漫是中华文化的底色。自古以来,中华民族就有飞向太空,遨游宇宙的向往。无论是嫦娥奔月,还是敦煌石窟中的仕女飞天壁画,无不寄托着无数华夏子孙的飞天梦想。
尽管时光蹉跎,但千百年来中国人的飞天之梦却从未褪色,对于太空的探索从未停止。中华民族几千年来为飞天梦想不断尝试和努力,直到上个世纪80年代中期,中国运载火箭技术跻身世界先进行列,尤其是20世纪90年代初,大推力捆绑火箭登台亮相之后,中华古国千年飞天梦想的现实,终于变得清晰可见了。时间继续如河,来到2003年10月15日,我国首个载人飞船神舟五号发射成功。千百年来的飞天梦,终于在这一天圆了。如今,随着载人航天工程的不断发展,我们的航天员不但能顺利往返于天地间,还能实现中长期驻留,“天上宫阙”已不再是神话,就此成为了现实。
飞天之梦的实现离不开我国航空航天工程技术的发展,尤其是飞行器的研发。21世纪将是高超声速空天飞行的时代,先进的空天飞行器速度可以超过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,成为世界各个航天大国之间高科技竞争的热点,同时也是国家实力的象征。在先进空天飞行器的研发过程中,风洞发挥了非常关键的作用,常常被比喻成为飞行器的“摇篮”。一代风洞技术,孕育一代飞行器技术。科研人员凭借他们扎实的理论基础不断进行风洞技术方面的探索与创新,使得飞行技术持续成功地登上一个又一个更高的台阶。
正因为风洞是空天飞行器研究的最可靠的实验手段,因此先进的地面实验风洞成为现下航空科技角力的关键基础。而目前我国拥有两座世界领先的超级风洞,它们的研发背后凝结了中科院力学所几代人的心血,其中就有中科院力学所研究员、国家重大科学仪器项目项目负责人姜宗林。
姜宗林也是高温气体动力学国家重点实验室学术委员会主任,并担任国际激波学会副理事长。姜宗林一直从事气体动力学领域的研究工作,在气体爆轰起爆和传播统一框架理论、爆轰驱动高焓激波风洞理论和技术体系、驻定斜爆轰冲压发动机的理论与核心技术,频散控制条件和激波捕捉频散控制耗散格式方面都取得重要原创性进展。曾获美国航空航天学会(AIAA)地面试验奖、国家技术发明二等奖、中国科学院杰出科技成就奖、中国力学科技进步一等奖。
代代相传 中国航空人的坚持与浪漫
2008年,“复现高超声速飞行条件激波风洞(JF-12复现风洞)”在“国家重大科研装备研制”项目的支持下正式开启,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米的能够复现高超声速飞行条件先进实验能力。JF-12复现风洞于2012年建成,并投入使用。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”项目支持“爆轰驱动超高速高焓激波风洞(JF22超高速风洞)”立项研制。作为我国第二座超级风洞,JF-22超高速风洞旨在建立飞行高度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,是我国一代一代航空人才的坚持与传承,只为实现我们更加远大的航天梦想,浪漫又坚韧。
自上个世纪60年代起,我国开始了高超声速研究。1946年,钱学森先生定义了高超声速飞行。1955年,钱学森先生平安回到祖国,正式筹建了中国科学院力学研究所。在钱学森先生的影响下,郭永怀先生于次年回到了力学所工作,长期担任力学所的常务副所长。
郭永怀先生高瞻远曙,预见到了脉冲型激波风洞设备的重要性,因此便支持他的学生俞鸿儒开展探索研究。正式拉开了我国将激波管、激波风洞技术应用于航天器研制中的序幕。1958年,俞鸿儒先生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。上世纪九十年代,氢氧爆轰驱动高焓激波风洞(JF10)得以建成,成为了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。1999年,俞鸿儒先生将姜宗林引进回国,接力我国高超声速风洞的研究事业。
1982年,作为最早的一批大学生,姜宗林于哈尔滨船舶工程学院动力工程系毕业获得学士学位后,并没有停下学习的脚步,而是选在继续学习与研究,在哈尔滨船舶工程学院动力工程系获得了硕士学位。1990年,姜宗林成功考入北京大学力学系,师从我国著名的科学家周培源先生,并于1993年获得理学博士学位,同年留任北京大学,成为力学系副教授。1994年,姜宗林应邀出国任教,直至1999年9月,姜宗林一直在日本东北大学流体科学研究所激波研究中心任副教授。1999年,在俞鸿儒先生的邀请下,姜宗林回到祖国的怀抱,加入了郭永怀先生创立的团队,传承华夏子孙的飞天梦。
通过几十年攻关,俞鸿儒先生提出了一种反向爆轰驱动耦合真空卸爆段的方法,成功解决了爆轰气流不平稳的问题,把国际上认为不好用的概念,变得好用了。姜宗林研究员带领团队从上世纪90年代末开启了大型爆轰驱动激波风洞的攻关,提出了长试验时间激波风洞理论,创立了直接起爆技术和双临界膜片技术,构建了新型的反向爆轰驱动技术,建立了复现风洞理论的技术体系,成功打造出了国际最大整体性能最先进的激波风洞,为我国航空航天事业的发展作出了巨大贡献,并实现了从中国高超风洞从理论创新到技术创新的跨越。中国空气动力学学会评述:“复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速地面试验六十年的难题,实现了风洞试验状态从流动‘模拟’到‘复现’的跨越,引领了国际先进风洞技术的发展”。2016年姜宗林获得了AIAA地面试验奖。这是一个国际航空航天领域的顶级奖项,此次是中国科学家首次获奖,也是亚洲科学家首次获奖。AIAA评述:“姜的工作在高超声速大实验装置领域世界领先”。
对此,姜宗林说:“一种重大创新技术需要10年、20年,甚至更长的时间去做,否则很难算世界难题,所以你要耐得住寂寞;而且一种创新的东西往往一开始不被大家认知,所以你还得能忍受着批判;另外,原创的技术都是需要探索的,需要实践检验,你还得经受住风雨。只有明白这几点的话,我觉得你才能从理论创新到技术创新,再到工程创新,然后去解决国家的重大问题。”
然而,就在JF-12复现风洞建成运行后,数据指标得到国际高超领域的高度认可后,姜宗林却因劳碌过度而生了一场大病。姜宗林却没有停下研究的脚步,而是又马不停蹄开始了新一代激波风洞的论证研究。在2018年,作为基金委国家重大科研仪器项目的首席科学家,开始了正向爆轰驱动超高速高焓激波风洞(JF-22超高速风洞)的研制。
高超音速 黑科技风洞大显神通
1871年,英国航空学会的一名理事会成员Frank H. Wenham设计并操作了一个风洞,世界上第一个真正意义上的风洞诞生了。在科学启蒙的时代,为了测试飞行物体的性能,科学家们不得不去寻找相对稳定的自然风源,通过把模型安装在山顶或者有风的山谷中来进行测试。不过自然环境变化无常,这使得科学家们开始尝试在静止的空气中移动模型。那时的人们因为受困于空气的不可控,思路都集中在了如何让物体运动起来,然而物体运动总是会产生诸多不便,风洞便应运而生。
飞行器在天上飞,空气不动。但是在地面上的时候,人们没有办法让飞行器去飞,或者这个飞行器还没有研究出来。然后就做一个飞行器的模型固定在风洞里,然后在风洞产生高速的气流吹这个模型,模拟它在天上飞的过程,这个就是风洞。风洞是由人工产生和控制气流以模拟飞行器或物体周围气体流动的装置,并可测量气流对物体的作用以及观察物理现象。按风洞试验段气流速度大小可将风洞分为低速风洞、高速风洞和高超声速风洞。在高速风洞中,又分为为“亚声速风洞”、“跨声速风洞”以及“超声速风洞”。
风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用。这种实验方法,流动条件容易控制。实验时,常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风,通过测控仪器和设备取得实验数据。
2012年,总长265米、试验段直径达3.5m的JF-12复现风洞研制成功,可复现5至9倍声速的飞行条件,实验时间超过100毫秒,比其他同类型的激波风洞提高1个量级,成为国际最大、整体性能最先进的激波风洞,为我国航空航天重大任务研制提供关键支撑。
在JF-12复现风洞项目中,姜宗林及其团队根据反向爆轰驱动方法和长试验时间激波风洞理论,建立了完整的复现风洞技术体系。JF-12复现风洞的技术体系由三组、九个创新技术构成。大功率激波风洞爆轰驱动技术包括反向爆轰卸爆技术、临界膜片控制技术和能量多级放大直接起爆技术。直接起爆技术确保了Taylor自相似解,膜片技术降低了能量损失,卸爆技术实现了爆轰现象的安全应用。长实验时间激波风洞技术包括启动激波反控制技术、爆轰风洞缝合运行技术和激波/边界层污染抑制技术。这三项技术避免了实验流场的反射波干扰、试验气体污染,保障了实验气流的品质。复现风洞高精度测量技术的研发针对了高超声速飞行条件的高温、高压、强剪切流动特征,在实现严酷热环境测量的基础上,取得了满足工程需求的数据精度。
JF-12复现风洞作为当时世界上最大的激波风洞,被国际同行称为“超级巨龙”,是国际首座可复现高超声速飞行条件的超大型高超声速风洞。姜宗林也骄傲地介绍道“JF-12复现风洞是地面气动试验装置这顶皇冠上的明珠,也是气体动力学研究领域科研人员心中的珠穆朗玛峰。”
时间来到2018年,在基金委国家重大科研仪器项目的支持下,正向爆轰驱动超高速高焓激波风洞立项启动。JF-22超高速风洞研制项目采用了我国独创的激波反射型正向爆轰驱动方法(FDC驱动方法)。姜宗林于2002年提出了FDC驱动技术的新概念,经过10多年在小型风洞是的应用和改进。JF-22超高速风洞以FDC驱动方法为核心,建立了完整的超高速风洞技术体系,并于2021年底,顺利完成风洞安装,开始了性能调试。
F-22超高速风洞是国际首座超大型正向爆轰驱动超高声速风洞。该风洞实现了四个性能指标:纯净空气;高总温,可达3000～10000K;高总压力,可达5～50 MPa;2～40 ms的实验时间。JF-22超高速风洞还配备了三个直径2.5m的喷管,能够按激波反射和激波膨胀两个模式运行,产生的试验气流能够覆盖飞行速度3～10 km/s、飞行高度40～90km的飞行走廊。JF-22超高速风洞的驱动能力之强,马赫数范围之广,实验气流速度之高,在国际高超声速风洞中在绝无仅有。
JF-22超高速风洞采用了三大核心技术。第一个是正向爆轰驱动技术,依据激波反射型正向爆轰驱动方法,把世界上公认不可能用的脉冲激波,变为可应用的定常激波。第二个是正向爆轰驱动激波膨胀加速技术,能够突破反射型激波风洞的局限性,进一步提高实验气流的速度,同时还能大大降低实验气流的静温,提高实验气流品质。第三个是爆轰驱动激波风洞运行界面匹配技术,相比一般的激波风洞,能够把实验时间提高一个量级。
JF-22超高速风洞主要应用于两个重要领域,分别是高超声速发动机的试验研究和高超声速飞行器关键技术的研发。这实际上是吸气式可重复使用天地往返飞行器最核心的两项关键技术,即巡航级飞行器和入轨级飞行器。这种新型天地往返飞行器最大的特点就是可以实现重复飞行。由于目前的火箭发射技术都是一次性的,因此,如果这种可重复使用天地往返飞行器研发成功,使用这种飞行器发射卫星和航天器的费用将会大大降低,这对于推动我国天空开发和宇宙探索都具有十分重要的意义。
JF12复现风洞与JF-22超高速风洞的一起为构成了我国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。中国高超风洞的应用是成功的。它能够进行做所难做、见所难见的高端实验,在未来高超声速飞行器发展中的潜力才刚刚开始显露。
“只有把你的研究跟国家需求结合起来,她才有高度,只有把你的研究跟民族的需求结合起来,她才有长度”姜宗林如是说道。也就是在这样的信念支持下,一代一代航空人的接力,使得我国的航空事业就如银河中的蛟龙,生机勃勃。
在JF-22超高速风洞攻关研究中,年轻的一代已经成长栋梁人物。如设计组长刘云峰、气动组长李进平、中央监控系统的负责人是罗长童、安装调试组长韩桂来。JF-22超高速风洞已经进入了调试阶段,就像一轮喷薄欲出的朝阳,前景可期。激波风洞团队又开始了新风洞建设的谋划,新风洞的编号也许为JF-XYZ,还具有不确定性。但是,确定的是它已经有了新的理论,新的技术,新的性能,新的高度。东方欲晓,莫道君行早,中国风洞技术一直在发展,激波风洞团队一直在路上。
