激波风洞项目荣获2016年度中科院杰出成就奖

中国科学院力学研究所激波风洞

一对夫妇飞越高山和海洋来到一个遥远的地方，温暖而浪漫。当这一幕出现在空气动力学家的眼前时，他们心中燃烧的是另一种感觉或一种创造性的激情。他们希望在两小时内把这对夫妇从东半球送到西半球。这是他们的梦想，也是一首创新的战歌。中国科学院力学研究所高温空气动力学国家重点实验室正是一个热情追求这一梦想的团队。

如果你有机会进入实验基地，他们会告诉你，目前通用民航客机的飞行速度约为0.8马赫，即约900公里/小时，战斗机可达到2-3马赫，相当于2000-3500公里/小时，而高超音速航空飞行器超过5400公里/小时，甚至达到10000公里/小时。自1903年，当怀特兄弟首次实现动力飞行100多年后，空气动力学家已经跃跃欲试今天，高超音速飞行已经成为空气动力学家追求的一个新目标:在2小时内将夫妇从东半球运送到西半球的速度。

然而，在过去的60年里，空气动力学家一直在努力实现高超音速飞行。

三座山达到顶峰。

“在任何飞机能够飞行之前，没有人不进行风洞实验。当飞机以高超音速飞行时，将会遇到三个主要问题。”他们解释道。

当一架飞机以高超音速飞行时，它遇到的空气会发生热化学反应。这一现象超出了经典空气动力学的理论范围，颠覆了传统风洞实验的类似模拟标准。因此，有必要开发能够再现飞行条件的风洞实验技术。激波风洞是一种典型的脉冲设备，具有再现飞行状态的潜力。然而，传统的风洞需要解决驱动能力弱、流场规模小、实验时间短和测量精度低等问题。

为此，美国开发并建造了世界上最先进的用于加热和压缩轻气体的激波风洞(LENS II)。实验测试时间约为30毫秒。日本建造了世界上最大的*活塞激波风洞(HIEST)，测试时间约为2-3毫秒。中国在这一研究领域的表现如何？

据报道，早在20世纪中叶，钱学森就提出了一个论点，即在未来，借助火箭，它可以在20分钟内从美国东部到达西部。《纽约时报》用了半页篇幅报道这份报告。

20世纪50年代，中国科学院力学研究所的研究员郭永怀预见到了脉冲风洞设备的重要性，并支持他的学生于洪如进行研究。此后，中国科学院力学研究所推动了我国激波管和激波风洞技术的发展，拉开了在航天器研制中应用的序幕，并逐步形成了高温空气动力学基础研究团队。

高温空气动力学国家重点实验室作为钱学森和郭永怀的继承者，自2000年以来一直在开发性能指标超过欧美国家最先进水平的激波风洞。2008年，为实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》的重要举措，财政部和中国科学院联合支持了8个“国家重大科研装备发展项目”，旨在突破我国引进和模仿重大科研装备的传统模式，探索我国重大科研装备自主创新发展之路。“高超音速飞行条件下激波风洞的重建”(JF12风洞)成为八个试点项目之一。

中国树立新的里程碑

实验室里的老、中、年轻科学家没有羞辱他们的长辈。先后开发了大功率激波风洞驱动技术、长时间激波风洞技术和重复风洞测量技术三个方面九个具体内容，形成了重复飞行条件激波风洞实验技术的主体，并获得多项发明专利，发表了一系列论文。最后，第一个再现高超音速飞行条件的激波风洞(JF12)于2012年建成。

在高超声速飞行条件下的激波风洞(JF12)建造过程中，他们创造的大功率激波风洞爆轰驱动技术利用化学能量的高速释放，而不是通过爆轰产生的机械能，解决了起爆、产生高质量气源和安全使用的难题，实现了爆轰驱动能力的可控性和可调性，成为高超声速风洞的一种新的驱动方式。

他们提出的长时间激波风洞技术集成了爆轰驱动激波风洞拼接操作、真空系统启动激波反射干扰控制和激波/边界层干扰试验气体污染抑制技术，使JF12风洞的有效试验时间可达130毫秒，实现了一个数量级的提高。

飞行条件的再现导致冲击载荷大、气流冲刷强烈和高温热环境，使得一些传感器难以生存，测量技术面临巨大挑战。高频响应大范围测力系统的一体化设计、平衡干扰信号波系统的适应与分离以及他们提出的高精度热电偶技术，使高焓激波风洞测力精度提高了一个数量级，热测量精度提高了一倍。

通过这种方式，他们摸索前进和改进的方法，将创新融入他们的日常工作，并坚持不懈地追求，从而使每个阶段目标的实现成为该领域的一个里程碑。

亚洲的自信和骄傲

尽管该团队的研究进展很少在中国公众面前提及，但一直受到美国航空航天研究所下属的美国航空航天公司的关注和跟踪。组长姜宗林被邀请在2014年AAIA科技大会上做邀请报告，并于2015年被授予美国航空航天学会荣誉会员。2016年6月14日，美国航空航天研究所授予姜宗林AIAA地面测试奖，以表彰他在“构思、开发和运行世界上最大的能够再现高超音速飞行条件的激波风洞”方面的杰出领导能力。结果，姜宗林成为该奖项设立41年来首位获奖的中国学者，也是亚洲科学家首次获奖。

再现高超音速飞行条件的265米长的激波风洞(JF12)，现在静静地躺在北京怀柔雁栖湖钱学森国家工程科学实验基地里。他不仅是世界上最大、最先进的激波风洞，也是中国自主开发大型、先进科研设备的先例。

研究团队通过创新概念研究、关键技术验证、工程集成开发、设备安装调试、风洞实验研究的全过程，实现了风洞实验从“模拟”到“再现”的飞跃。在国家重大任务的实施和高温空气动力学的前沿探索中发挥了不可替代的作用。不久前，这项增强了中国人民信心和自豪感的重要成果获得了2016年中国科学院杰出成就奖和2016年国家技术发明奖。