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激波風洞項目榮獲2016年度中科院傑出成就獎

激波風洞項目榮獲2016年度中科院傑出成就獎

原標題:激波風洞項目榮獲2016年度中科院傑出成就獎

中科院力學所激波風洞 王靜 攝

一對情侶乘坐飛機飛越高山大海前往遠方,溫馨而浪漫。當此情景出現在空氣動力學家眼前的那一刻,他們心中燃起的是另一種情懷,抑或是一種創造的激情。他們期待在2小時內把這對情侶從東半球送到西半球。這他們的夢,更一首創新的戰歌。中科院力學所高溫氣動力學國家重點實驗室,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,即900公里/小時左右,戰鬥機可達2-3馬赫數,相當於2000-3500公里/小時,高超聲速空天飛行器則超過5400公里/小時,甚至達到10000公里/小時。自1903年懷特兄弟首次實現動力飛行百餘年來,空氣動力學家們從亞聲速時代突進了超聲速時代。如今,高超聲速飛行,已成為空氣動力學家們追尋的新目標:即在2小時內把情侶們從東半球送到西半球的速度。

然而,60年來,空氣動力學家們在實現高超聲速飛行的征途中,可謂步履維艱。

三座大山壓頂

「任何飛行器實現飛行前,無一不進行風洞實驗。飛行器實現高超聲速飛行,會遇到三大難題。」他們講解。

當飛行器進行高超聲速飛行時,所遇到的空氣會發生熱化學反應。這種現象超出了經典氣體動力學的理論範疇,顛覆了傳統風洞實驗相似模擬準則,因此需要發展能夠復現飛行條件的風洞實驗技術。激波風洞是典型脈衝設備,具有復現飛行條件的潛力,但需要解決傳統風洞驅動能力弱、流場尺度小、實驗時間短和測量精度低等問題。

為此,美國研製建設了國際上最先進的加熱壓縮輕氣體的激波風洞(LENS II),可進行實驗測試的時間為30ms左右。日本建設了國際上最大自由活塞激波風洞(HIEST),實驗測試時間約為2-3ms。在這個領域的研究中,如何表現?

據悉,早在20世紀中葉,錢學森曾提出一個論點,未來藉助於火箭,從美國東部到西部可以在20分鐘內抵達,《紐約時報》專門用了半版進行報道。

上世紀50年代,中科院力學所研究員郭永懷預見到脈衝型風洞設備的重要性,便支持其學生俞鴻儒開展研究。自此,中科院力學所推動著激波管、激波風洞技術的發展,並就此拉開了應用於航天器研製的序幕,並逐漸形成了一支高溫氣體動力學的基礎研究團隊。

高溫氣動力學國家重點實驗室作為錢學森、郭永懷的後來者,自2000年以來,著力發展性能指標超過歐美國家最先進水平的激波風洞。2008年,為落實《國家中長期科學技術發展規劃綱要(2006—2020年)》的重要舉措,國家財政部和科學院聯合支持了8個「國家重大科研裝備研製項目」,旨在突破重大科研裝備引進與仿製的傳統模式,探索自主創新發展重大科研裝備的途徑,「復現高超聲速飛行條件激波風洞」項目(JF12風洞)成為這8個試點項目之一。

建立新的里程碑

實驗室的老中青科學家們,沒有給長輩丟臉。他們先後發展了大功率激波風洞驅動技術、長實驗時間激波風洞技術、復現風洞測量技術等三個方面、九項具體內容,構成了復現飛行條件激波風洞實驗技術的主體,並獲得了多項發明專利授權,發表了一系列論文。終於在2012年建成國際首座復現高超聲速飛行條件激波風洞(JF12)。

在高超聲速飛行條件激波風洞(JF12)的建造過程中,他們創建的大功率激波風洞爆轟驅動技術,利用爆轟高速釋放化學能替代機械能,解決了起爆、高品質氣源生成和安全應用等難題,實現了爆轟驅動能力的可控與可調,成為高超聲速風洞的新型驅動模式。

他們提出的長實驗時間激波風洞技術,集成了爆轟驅動激波風洞縫合運行、真空系統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,使得JF12復現風洞有效實驗時間達到130ms,實現了量級的提升。

復現飛行條件造成大衝擊載荷、強氣流沖刷以及高溫熱環境,使得一些感測器難以生存,測量技術面臨極大挑戰。他們提出的高頻響大量程測力系統一體化設計、天平干擾信號波系適配分離和高精度熱電偶技術,把高焓激波風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和提高,將創新融入日常工作之中,持之以恆地追求,使每一個階段目標的實現,都成為領域內里程碑式進展。

亞洲的自信和自豪

這支隊伍的研究進展雖很少在公眾面前提及,但一直被美國航空航天學會旗下《美國宇航》持續關注和跟蹤報道。團隊負責人姜宗林應邀在2014年AAIA SciTech會議上做邀請報告,2015年被授予美國航空航天學會副會士榮譽。

2016年6月14日,為嘉獎姜宗林在「構思、發展、運行世界最大復現高超聲速飛行條件激波風洞」的卓越引領能力,美國航空航天學會授予他地面試驗獎(AIAA Ground Testing Award)。姜宗林由此成為該獎項設立41年來第一次獲獎的學者,也是亞洲科學家第一次獲此殊榮。

總長為265米的復現高超聲速飛行條件激波風洞(JF12),如今靜靜地躺在北京懷柔雁棲湖畔錢學森國家工程科學實驗基地內。他既是迄今為止世界上最大、性能最先進的激波風洞,也是自主研製大型、先進科研裝備的先例。

研究團隊從創新概念研究、關鍵技術驗證、工程集成發展、裝備安裝調試、風洞實驗研究的全過程,實現了風洞實驗狀態從「模擬」到「復現」的跨越,在國家重大任務實施和高溫氣動學科前沿探索方面發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年度科學院傑出成就獎,也獲得了2016年度國家技術發明二等獎。

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