激波风洞项目荣获2016年度中科院杰出成就奖

中科院力学所激波风洞 王静 摄

中科院力学所激波风洞 王静 摄

一对情侣乘坐飞机飞越高山大海前往远方,温馨而浪漫。当此情景出现在空气动力学家眼前的那一刻,他们心中燃起的是另一种情怀,抑或是一种创造的激情。他们期待在2小时内把这对情侣从东半球送到西半球。这他们的梦,更一首创新的战歌。中科院力学所高温气动力学国家重点实验室,正是热情追逐个梦想的一支队伍。

如果有机会走进实验基地,他们会告诉你,目前一般民航客机的飞行速度大约0.8马赫数,即900公里/小时左右,战斗机可达2-3马赫数,相当于2000-3500公里/小时,高超声速空天飞行器则超过5400公里/小时,甚至达到10000公里/小时。自1903年怀特兄弟首次实现动力飞行百余年来,空气动力学家们从亚声速时代突进了超声速时代。如今,高超声速飞行,已成为空气动力学家们追寻的新目标:即在2小时内把情侣们从东半球送到西半球的速度。

然而,60年来,空气动力学家们在实现高超声速飞行的征途中,可谓步履维艰。

三座大山压顶

“任何飞行器实现飞行前,无一不进行风洞实验。飞行器实现高超声速飞行,会遇到三大难题。”他们讲解。

当飞行器进行高超声速飞行时,所遇到的空气会发生热化学反应。这种现象超出了经典气体动力学的理论范畴,颠覆了传统风洞实验相似模拟准则,因此需要发展能够复现飞行条件的风洞实验技术。激波风洞是典型脉冲设备,具有复现飞行条件的潜力,但需要解决传统风洞驱动能力弱、流场尺度小、实验时间短和测量精度低等问题。

为此,美国研制建设了国际上最先进的加热压缩轻气体的激波风洞(LENS II),可进行实验测试的时间为30ms左右。日本建设了国际上最大自由活塞激波风洞(HIEST),实验测试时间约为2-3ms。中国在这个领域的研究中,如何表现?

据悉,早在20世纪中叶,钱学森曾提出一个论点,未来借助于火箭,从美国东部到西部可以在20分钟内抵达,《纽约时报》专门用了半版进行报道。

上世纪50年代,中科院力学所研究员郭永怀预见到脉冲型风洞设备的重要性,便支持其学生俞鸿儒开展研究。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,并就此拉开了应用于航天器研制的序幕,并逐渐形成了一支高温气体动力学的基础研究团队。

高温气动力学国家重点实验室作为钱学森、郭永怀的后来者,自2000年以来,着力发展性能指标超过欧美国家最先进水平的激波风洞。2008年,为落实《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006—2020年)》的重要举措,国家财政部和中国科学院联合支持了8个“国家重大科研装备研制项目”,旨在突破我国重大科研装备引进与仿制的传统模式,探索自主创新发展我国重大科研装备的途径,“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目(JF12风洞)成为这8个试点项目之一。

中国建立新的里程碑

实验室的老中青科学家们,没有给长辈丢脸。他们先后发展了大功率激波风洞驱动技术、长实验时间激波风洞技术、复现风洞测量技术等三个方面、九项具体内容,构成了复现飞行条件激波风洞实验技术的主体,并获得了多项发明专利授权,发表了一系列论文。终于在2012年建成国际首座复现高超声速飞行条件激波风洞(JF12)。

在高超声速飞行条件激波风洞(JF12)的建造过程中,他们创建的大功率激波风洞爆轰驱动技术,利用爆轰高速释放化学能替代机械能,解决了起爆、高品质气源生成和安全应用等难题,实现了爆轰驱动能力的可控与可调,成为高超声速风洞的新型驱动模式。

他们提出的长实验时间激波风洞技术,集成了爆轰驱动激波风洞缝合运行、真空系统起动激波反射干扰控制和激波/边界层干涉试验气体污染抑制技术,使得JF12复现风洞有效实验时间达到130ms,实现了量级的提升。

复现飞行条件造成大冲击载荷、强气流冲刷以及高温热环境,使得一些传感器难以生存,测量技术面临极大挑战。他们提出的高频响大量程测力系统一体化设计、天平干扰信号波系适配分离和高精度热电偶技术,把高焓激波风洞测力精度提高一个量级、测热精度提高了一倍。

他们就这样摸索着前进和提高,将创新融入日常工作之中,持之以恒地追求,使每一个阶段目标的实现,都成为领域内里程碑式进展。

亚洲的自信和自豪

这支队伍的研究进展虽很少在中国公众面前提及,但一直被美国航空航天学会旗下《美国宇航》持续关注和跟踪报道。团队负责人姜宗林应邀在2014年AAIA SciTech会议上做邀请报告,2015年被授予美国航空航天学会副会士荣誉。

2016年6月14日,为嘉奖姜宗林在“构思、发展、运行世界最大复现高超声速飞行条件激波风洞”的卓越引领能力,美国航空航天学会授予他地面试验奖(AIAA Ground Testing Award)。姜宗林由此成为该奖项设立41年来第一次获奖的中国学者,也是亚洲科学家第一次获此殊荣。

总长为265米的复现高超声速飞行条件激波风洞(JF12),如今静静地躺在北京怀柔雁栖湖畔钱学森国家工程科学实验基地内。他既是迄今为止世界上最大、性能最先进的激波风洞,也是我国自主研制大型、先进科研装备的先例。

研究团队从创新概念研究、关键技术验证、工程集成发展、装备安装调试、风洞实验研究的全过程,实现了风洞实验状态从“模拟”到“复现”的跨越,在国家重大任务实施和高温气动学科前沿探索方面发挥了不可替代的作用。不久前,这项增强国人自信心和自豪感的重要成果,荣获2016年度中国科学院杰出成就奖,也获得了2016年度国家技术发明二等奖。

来源:news.sciencenet.cn

标签:中科院

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