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高超巨龙的引领与跨越
发表时间 2017-03-17 10:23 来源 本站原创

  导语:

  2017年1月16日,中国科学院2016年度杰出科技成就奖隆重颁发,白春礼院长为10位获奖的集体与个人颁发奖状与奖章。首位走上领奖台的是姜宗林研究员,中国科学院力学研究所《复现高超声速飞行条件激波风洞》研究集体的学术带头人,从事高超声速和高温气体动力学领域研究的科学家。杰出科技成就奖是中国科学院的顶级奖项,每年评选不超过十个,授予那些解决重大科学问题或者突破关键核心技术的科学家及其团队。力学所的复现风洞团队以“提出了系统的爆轰驱动激波风洞理论,建立了完整的高超声速复现风洞技术体系,研制成功世界首座复现高超声速飞行条件超大型激波风洞(JF12复现风洞),并在国家重大任务实施和高温气体动力学前沿问题探索中发挥着不可替代的作用”而获此殊荣。

  去年一年里,姜宗林及其团队还获得了2016年度国家技术发明奖和美国航空航天学会2016年度地面试验奖(AIAA Ground Testing Award 2016)。特别是AIAA的地面试验奖,姜宗林系设立42年来首位获奖的中国科学家,也是亚洲首位。AIAA认为“姜创立了大尺度高超声速实验技术的新高度,建立了高超声速复现风洞,其设计无移动部件,能比传统风洞产生实验时间更长、能量更高的实验气流”。中国空气动力学会专门撰文评价:“美国航空航天学会是世界上最负盛名的国际性学术机构, AIAA地面试验奖项的设立旨在表彰国际航空航天领域中地面试验方面取得杰出技术成就的科学家,是一项国际性的航空航天大奖。复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速实验60年的世界难题,实现了风洞实验状态从流动‘模拟’到‘复现’的跨越,引领了国际先进风洞试验技术的发展”。

  面对我国在航空航天基础研究方面取得的世界公认的杰出成就,我们采访了姜宗林研究员,试图揭晓这座被世界同行称为“高超巨龙”的复现风洞研制的来龙去脉,JF12复现风洞在理论和技术方面的引领、在试验与研究方面的跨越。

  高超巨龙的来龙去脉

  1946年,钱学森首次应用“Hypersonic”定义了“高超声速”这个概念,从此逐步发展出一个崭新的气体动力学前沿学科:高超声速和高温气体动力学。早在1956年,钱学森先生在力学研究所创建初期,就着手布局了高超声速相关的研究方向。布局了物理力学,关注分子层面的内态变化对宏观流动规律的影响,布局了激波管技术,关注高超声速实验方法的探索。时至今日,高超声速科技已经成为国际航空航天领域的必然发展趋势,对人类社会发展、国际战略格局转变和航空航天技术的提升,势必产生“颠覆性”影响。

  “大家都知道在新中国初创的历史条件下,钱先生倡导优先发展火箭技术,成就了我国航天事业的辉煌!很少有人知道钱先生还布局了高超声速飞行相关的基础研究,可能成就我国新世纪航空技术的跨越!”回忆这些历史资料,姜宗林感叹说到:“当时我国一穷二白,航空技术无从谈起,钱先生着手为国家布局这样战略性、前瞻性、基础性研究课题,可见大科学家的远见卓识、大家风范!”

  高超声速飞行难在何处?姜宗林介绍说:“像进入大气层的流星一样,强烈的头部激波和摩擦阻力,能够把飞行器周边的空气加热到数千度的高温,诱导了空气分子的振动激发,解离和电离,伴随着能量的转移和热量的传递。这就是高超声速飞行独有的热化学反应过程,改变了空气的介质物性,影响了宏观流动规律,颠覆了传统风洞实验的相似模拟准则,要求发展能够复现飞行条件的风洞实验技术。六十年国际高超声速飞行器研发步履维艰,缺乏能够复现高超声速飞行条件的风洞技术是气动实验与理论研究的瓶颈。所以,复现风洞理论与技术的探索一直是一个基础性和前沿性兼备的重大研究领域。”

  风洞是以人工的方式产生并且控制实验气体流动的实验装备,用来模拟飞行器周围气体的流动情况,并可观测和量度气流对飞行器的作用效果,为飞行器设计和发展提供依据。一代风洞技术决定一代飞行器的研制水平,风洞是推动新型飞行器研发的科研重器,代表着一个国家在航空航天领域的战略研发实力。

  姜宗林说:“上世纪五十年代中后期,俞鸿儒院士受到钱学森和郭永怀先生的嘱托,在当时极其艰苦的条件下,矢志不移、探索不息、历经四十年的奋斗,提出了激波风洞爆轰驱动方法,形成了不同欧美风洞理论的中国学派,也为复现风洞驱动技术的研发奠定了理论基础。

  引领高超声速地面试验技术

  从美国科学家应用V2火箭技术,把一个人造物体加速到5倍声速,国际高超声速科技发展已经有70多年的历史了,高超声速风洞技术也取得了重大进展,研制了不同类型的风洞技术。比较成功的有电弧风洞、加热空气风洞、燃烧风洞和激波风洞。从实现高超声速复现实验的需求来看,目前的风洞技术依然具有驱动功率小、实验时间短、测量精度低的不足,制约着高超声速科技的发展。

  “复现风洞理论与技术是前所未有的技术,因此我们在研制过程中遇到了很多的困难和挑战。继承俞先生的爆轰驱动方法,我们这个团队从2000年就开始探索复现风洞理论与创新技术验证。到了2006年,复现风洞的理论与关键技术逐渐成熟,并在2008年获得了‘国家重大科研装备研制项目’的支持。”姜宗林说:“复现风洞技术体系由9项发明支撑的三大关键技术组成,突破了传统激波风洞驱动功率小、实验时间短和测量精度低的瓶颈。其大功率爆轰驱动技术利用化学能替代机械能,驱动能力得到量级提升;长实验时间激波风洞技术解决了界面反射、边界层和启动激波干扰难题,实验时间得到成倍增长;复现风洞测量技术大幅度提高了极端环境条件下的实验数据精度”。

  对于复现风洞研制,大功率驱动技术是首位关键技术。实际上,高超声速复现风洞就是在地面上创造一股具有飞行速度的高超声速气流,并且气流的直径尺度要达到满足飞行器实验的模型尺寸需求。如果需要产生9倍声速的气流(流动速度3000m/s,气流总温3500K,流场直径2.5m),需要的输出功率为600MW,而风洞输入功率需求3000MW以上,对比葛洲坝水电站2720MW的总功率,就可知这个功率需求之巨大,远远超过了目前国际主流风洞采用的机械压缩技术的能力极限。

  “针对驱动能力不足的难题,JF12复现风洞团队采用了独创的爆轰驱动方法,进一步提出能量多级放大直接起爆方法和临界膜片设计与控制技术,解决了爆轰起爆、高品质气源生成、爆轰过程控制和安全应用等难题,实现了爆轰驱动能力的可控与可调,使得JF12复现风洞具备了25-50km高空、马赫数5-9、直径2.5m高超声速实验流场的复现能力”。姜宗林说:“我们创立的大功率爆轰驱动技术,应用化学能替代传统的机械能驱动模式,实现了激波风洞驱动能力的量级提升,建立了高超声速风洞的新型驱动模式”。

  风洞的有效实验时间短,不仅大大限制了风洞的应用范围,而且给风洞实验结果带来了很大的不确定性,影响着实验结果的精度和可靠性。激波风洞是最具有复现高超声速飞行条件的潜力,但有效实验时间极短。国际最大的自由活塞驱动高焓激波风洞(日本HIEST)有效实验时间仅为2-3ms,最先进的加热压缩轻气体驱动高超声速激波风洞(美国LENS II)有效实验时间也只有30ms。难以满足吸气式高超声速飞行器一体化试验需求,而这种飞行器是高超声速科技的核心关键技术,能够实现两个小时的环球飞行。

  “JF12复现风洞团队对激波传播及其复杂波系相互作用规律的研究,提出了长实验时间激波风洞理论和技术,包括:爆轰驱动激波风洞缝合运行方法,突破限制实验时间的主要瓶颈;真空系统起动激波反射干扰控制,通过巧妙设计真空系统的布局耗散起动激波,推迟其反射干;激波/边界层干涉实验气体污染抑制技术,通过特殊结构设计延迟了驱动气体污染实验气流,使得有效实验时间提高60%”。

  延长有效实验时间一直是激波风洞技术的学科前沿问题,他们提出的长实验时间激波风洞技术使得JF12复现风洞有效实验时间达到130ms,比传统激波风洞实验时间实现了成倍增加。

  相对于常规高超声速风洞的最高总温1500K左右,JF12复现风洞实验气流总温高达3500K。这样的极端环境远远高于炼钢炉温度,使得大冲击、强冲刷、高热流等因素严重影响了测量精度和实验数据可靠性,成为实验测量技术研究的新课题。

  姜宗林说:“在测量技术方面,我们复现风洞团队实现了三个突破:(1)提出了高频响、大量程测力系统一体化设计方法,解决了整个测力系统与风洞特性的匹配问题,由此研制的高精度测力天平使得测力精度提高一个量级;(2)提出多基频干扰信号的波系适配分离技术,能够精确分离出各个基频分量的不同干扰,实现了实验数据的高精度处理;(3)提出的高精度热电偶技术,时间分辨率达到1毫秒(传统的2~4毫秒),使得测量精度提高一倍,并可重复使用”。

  2012年5月,JF12复现风洞通过国家验收,正式投入使用,并在国家重大任务实施和高温气动学科前沿探索发挥了不可替代的作用。2015年10月,中国空气动力学会成果鉴定评价:“复现风洞”理论与技术变革了国际主流机械能驱动模式,解决了高超声速实验技术60年来久攻未破的世界难题,实现了风洞实验状态从‘模拟 ’到‘复现’的跨越,代表国际领先水平。是世界上首次发明,对新世纪航空航天发展具有开创性的影响,对解决高超声速流动的前沿学科问题产生重大推动作用”。

  跨越相似“模拟”实验鸿沟

  中国空气动力学会成果鉴定提出的“实现风洞实验状态从‘模拟’到‘复现’的跨越”的意义是什么?有什么样的重大作用?

  “传统的空气动力学地面实验是建立在相似“模拟”实验准则的基础上的。即,应用很小的缩比飞行器模型,调整实验气流的速度、温度和压力,实现马赫数和雷诺数等关键参数的相等,从而可以从风洞实验结果,预测实际飞行条件下、全尺度飞行器的气动特性,为飞行器的设计和改进提供依据”。姜宗林研究员介绍说:“对于高超声速飞行器地面试验,需要复现实际飞行状态的温度和压力,这样才能再现空气的热化学反应和发动机的燃烧过程;由于化学反应进程需要的时间是确定的,并不随飞行器模型的缩比变化,所以足够大、甚至全尺寸的飞行器模型是必要的,也是地面气动实验数据可靠性的保障。这是困扰高超声速地面试验六十年的世界难题,不同程度上延缓了国际高超声速科技的发展”。

  JF12复现风洞具有足够大的实验流场,能够开展目前国际上试飞的高超声速飞行器的全尺寸模型试验。这种风洞试验从“模拟”到“复现”的跨越,不仅改变了目前高超声速关键技术过度依靠飞行试验验证的状况,对于高超声速和高温气体动力学前沿学科的推动也具有着重要意义。所以,美国航空航天学会把世界顶级地面实验奖授予姜宗林研究员。美国政府在给美国国会的年度报告里连续四年持续关注:“力学所开展了宇航等领域的科技创新与技术集成,研制成功的超大型JF12高超声速风洞具有复现实际飞行条件的能力,将支撑中国民用与军用部门宇航领域的研发”。

  续曲

  中国空气动力学会撰文评价:“复现风洞理论和技术成为张涵信荣誉理事长倡导的‘创新理论,成功实践,中国制造,世界领先’的空气动力创新发展的典范”。复现风洞理论与技术引领了高超声速风洞实验技术的发展,实现了高超声速地面气动试验的跨越。那么复现风洞团队下一步的目标是什么?有着什么样的思考?

  “JF12复现风洞可以复现飞行高度25-50公里、马赫数5-9的高超声速飞行条件,为吸气式高超声速飞行器的地面试验研究提供了手段”。姜宗林研究员如是说:“随着高超声速科技的发展,我国需要开展高超声速滑翔和星球再入飞行器的研究,这对天空开发和利用具有重大意义。所以,我们将进一步发展复现风洞理论与技术,研究能够复现飞行高度40~80公里、马赫数10-20飞行条件的超高速风洞,支撑我国在该领域气动相关的关键技术的突破和前沿学科问题的探索”。

  让“中国梦”腾飞,让祖国的科技在世界舞台上绽放光芒,这是中国科学院力学所复现风洞研究团队为之不懈努力的目标,也是中华儿女共同的心愿。

  图1:2017年1月16日荣获中国科学院杰出科技成就奖

  图2:2016年6月美国航空航天学会授予姜宗林2016年度地面试验奖

  图3:JF12复现风洞鸟瞰图

  图4:2017年1月9日荣获国家技术发明奖