打造新一代空天飛行器研發重器

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今年12月，我國航天事業奠基人錢學森誕辰112周年之際，站在新落成的長達167米、能復現每秒10公里超高速飛行速度的超級風洞前，中國科學院力學研究所研究員姜宗林向《中國科學報》表示：“錢學森在論述科學精神時曾說，是不是真正的創新，就看是不是敢于研究別人沒有研究過的科學前沿問題。我們用這個獨立自主研發的大國重器支持我國的宇航事業奔赴星辰大海，正是對錢先生的最好告慰。”

自2018年起，在國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目（部門推薦）“爆轟驅動超高速高焓激波風洞”（以下簡稱JF-22超高速風洞）的支持下，姜宗林帶領激波風洞團隊依據我國獨創的“激波反射型正向爆轟驅動”方法，把國際上普遍認為“不能用”的正向爆轟變為“可用”和“好用”的驅動能源，成功研制出JF-22超高速風洞。

今年5月，該項目完成結題驗收。驗收專家組一致認為，該風洞在有效實驗時間、總溫、總壓和噴管流場尺寸等綜合性能指標方面處于國際領先水平。

JF-22超高速風洞。研究團隊供圖

前瞻引領，打造大國重器

人類有一個航空航天夢，總是想飛得更快、更高、更遠。早在20世紀50年代，錢學森首先定義了“高超聲速飛行”的概念。未來，新一代飛行器可以達到時行萬里、實現國際出行的早出晚歸。

而新一代空天飛行器的研發離不開重要的科學裝置——高超聲速風洞。高超聲速風洞通過人工方式產生并控制高速氣流，模擬飛行器周圍氣體的流動情況，獲得飛行器的氣體動力學特性，相當于在地面上人為建造一個“飛行天空”。

飛行器的速度越快，要求風洞產生的“風”越大。科學家用飛行速度與聲速之比——“馬赫數”度量飛行速度。在高超聲速飛行中，飛行器巨大的動能將產生強烈的頭部激波和摩擦阻力，把飛行器周圍的空氣加熱到數千攝氏度甚至上萬攝氏度，引起空氣分子發生解離、原子電離等復雜的化學反應。

“飛行器周邊的空氣起熱化學反應，這類現象超出了傳統氣體動力學的研究范疇，需要創立新的理論去描述，打造新的風洞去試驗。”姜宗林表示，“新型空天飛行器研發的地面試驗需要性能更強大的高超聲速風洞。”

基于這一科學前沿問題和國家航空航天重大需求，2017年底，激波風洞團隊向國家自然科學基金委員會提出了國家重大科研儀器研制項目申請，并獲得資助。作為科學基金資助體系的重要組成部分，國家重大科研儀器研制項目重點資助對促進科學發展、探索自然規律和開拓研究領域具有重要作用的原創性科研儀器的研制。

2018年全國力學大會上，中國科學院院士楊衛透露：“正在建設中的JF-22超高速風洞將為更高速的飛行奠定實驗基礎。”

在國家重大科研儀器研制項目的支持下，激波風洞團隊以滿足工程需求為目的，挑戰先進風洞技術指標的極限，全心投入前所未有的JF-22超高速風洞研制中，于2021年底完成安裝，進入性能調試階段。

2022年4月15日，JF-22超高速風洞完成首次運行實驗。當天是姜宗林的生日，JF-22超高速風洞的成功運行為他送上了一份珍貴禮物。隨著轟的一聲爆轟，控制室中電腦屏幕上的數據顯示，實驗結果達到預期目標。

2023年上半年，JF-22超高速風洞迎來真正意義上的“大考”。該國家重大科研儀器研制項目驗收期間，共進行了5次專家現場測試。首次測試中，實際流場速度高達每秒10.08公里，總溫達1.9萬開爾文（K），總壓達3.3萬多個大氣壓。優異的性能參數令在場專家驚嘆不已。

“我們感到很振奮。我把這次測試的實驗記錄寫到了專家與團隊上。”姜宗林回憶說。

JF-22超高速風洞具有尺度大、時間長、總溫和總壓高等特點，能夠復現40公里至90公里高空、每秒2.5公里至10公里的飛行速度。實測最高速度達每秒10.1公里，如果以實驗室聲速度量，相當于約30倍聲速的飛行條件。

“JF-22超高速風洞的綜合性能在世界上還沒有其他風洞可以相比。”姜宗林自信地說。

廿年一劍，復現軌道速度

早在60年前，科學家就開始探索“正向爆轟驅動”方法，為建造高性能激波風洞做準備。

“爆轟”是激波風洞用來驅動強大氣流的一種方法，即混合的氫氣和氧氣被點燃，燃燒激波在管道內以高于聲速的速度傳播。根據點火位置的不同，驅動形式分為“正向”和“反向”兩種。和“反向”驅動相比，正向爆轟可以驅動產生更大的空氣動量，產生高超聲速飛行條件下的氣流。

但是，正向爆轟驅動方式受“稀疏波”的干擾，難以滿足激波風洞的驅動要求。如何應對“稀疏波”的干擾，“用好”正向爆轟驅動方式，是打造超高速風洞面臨的世界級難題，需要在理論和技術層面實現突破。

2002年，姜宗林團隊從原理上革新，提出并設計了激波反射型正向爆轟驅動器。這有效改進了驅動氣流的平穩性，使正向爆轟從“不能用”變成了“能用、好用”的動力源，成為JF-22超高速風洞的核心技術。

從2002年學術論文發表，到2023年JF-22超高速風洞驗收，中國科學家“二十年磨一劍”，實現了超高速風洞試驗狀態從流動“模擬”到關鍵參數“復現”的跨越。

在北京懷柔錢學森實驗基地空天實驗中心，《中國科學報》看到，與JF-22超高速風洞并排的是JF-12復現風洞，即“復現高超聲速飛行條件激波風洞”。

JF-22超高速風洞的研制離不開JF-12復現風洞積累的經驗。2008年，在首批國家重大科研儀器研制項目的支持下，JF-12復現風洞立項，2012年完成項目驗收，確立了我國在這個研究領域的世界領先地位。

如今，JF-12復現風洞經歷10年的試驗應用，在國家重大任務、多個型號研制和學科前沿問題探索中，完成了一系列的重要科學試驗。激波風洞研究團隊因此獲得了2016年度中國科學院杰出科技成就獎。

如今，這兩座風洞可分別實現每秒1.5公里至3公里和每秒3公里至10公里的實驗條件，共同構成覆蓋馬赫數5~30、飛行高度25~90公里的氣動實驗平臺，使我國成為高超聲速領域唯一具備覆蓋全部“飛行走廊”實驗能力的國家。

傳承四代，書寫傳奇故事

追溯更早的歷史，JF-22超高速風洞成功的背后，是中國科學院四代科學家連續60多年持續奮斗，書寫的一段傳承創新、艱苦奮斗的傳奇故事。

20世紀50年代中期，錢學森與“兩彈一星”元勛郭永懷就制定了高超聲速風洞的研究方向，在中國科學院力學研究所組建了激波風洞科研團隊。

剛剛考上錢學森和郭永懷研究生的俞鴻儒接過發展激波管技術、研制激波風洞的重任。面對基礎技術不足、科研經費短缺的難題，俞鴻儒選擇了當時國際上已經棄用的驅動方式——氫氧燃燒驅動，但這種方式產生的能量極大、極易發生爆炸，會帶來嚴重的安全問題。作為我國高超聲速研究的第二代科學家，俞鴻儒把一生都投入到這項事業中。

經過一次又一次的反復試錯，我國的風洞研究終于“炸”出了一條新路——我國第一代激波管，第一座大型高超聲速風洞JF-8激波風洞，高超聲速風洞JF4B、JF8、JF10等先后問世。

1999年，在俞鴻儒的邀請下，從事激波動力學研究的姜宗林回國，成為第三代“風洞人”。“當時，俞先生告訴我，錢先生和郭先生創立的團隊需要青年人傳承。這個團隊要緊盯國家需求和世界難題。”姜宗林說。

“因為國家需要，所以熱愛這份事業。”姜宗林同樣對團隊成員說，“只有把事業和國家需求聯系在一起，事業才有尺度；只有把事業與世界難題聯系在一起，事業才有高度。”他帶領激波風洞團隊秉承“求實求是”的科研理念，傳承了“成功不必在我，功成必定有我”的家國情懷。

他們完成了JF-12復現風洞和JF-22超高速風洞的研制，撰寫了國際首部系統論述超高速激波風洞理論和技術的英文專著，奠定了中國高超聲速風洞的世界地位。

2016年，為表彰姜宗林在世界最大高超聲速激波風洞研究中所作的貢獻，美國航空航天學會將象征該領域最高榮譽的“地面試驗獎”頒給了他。這是這個獎項成立40多年來首次頒發給中國科學家，乃至亞洲科學家。

如今，姜宗林的學生作為第四代“風洞人”，正在接過前輩科學家手中的接力棒，為我國在高超聲速風洞領域的研究注入新動力。

《中國科學報》：你在研制JF-22超高速風洞這一重大科研儀器的過程中，對工程科學有哪些思考？

姜宗林：JF-22超高速風洞是幾代科學家多年艱苦奮斗的結晶，離不開錢先生和郭先生的高瞻遠矚，也離不開俞先生的無私奉獻。中國高超聲速風洞的理論創新與工程實踐，正是堅持工程科學發展觀的真實寫照。

在中國高超聲速風洞60多年的研發過程中，我國科學家提出了系統的爆轟驅動超高速風洞理論。該理論包含了反向爆轟耦合真空卸爆概念、激波反射型正向爆轟驅動方法、長試驗時間激波風洞理論。

這些理論有其模擬工程實際的一面，也符合自然科學原理。中國高超聲速風洞基于爆轟現象的基本原理，解決了高超聲速風洞工程的需求，并得到了工程實踐的驗證。工程科學的發展沒有最好，只有更好。這取決于我們對于物理規律的認知和模擬。

《中國科學報》：你對JF-22超高速風洞的未來應用，有哪些計劃與期待？

姜宗林：高超聲速風洞實驗平臺為我國的高超聲速發展提供了強大工具，我們現在可以開展那些“能人所不能、做人所難做、精人所不精”的科學實驗，解決那些“做不了、做不好、做不精”的問題。

例如，近期我們在探索一種兩級入軌空天飛行器的超高速動態分離，這是以前做不了的試驗。與火箭的垂直起降不同，這種空天飛行器可以水平起降，飛到距離地面30公里至40公里的高度，然后第二級起飛，繼續往上飛到軌道上。研究這種飛行器兩級分離理論和技術，對于指導空天飛行器的設計具有重要意義。

我們還計劃應用JF-22超高速風洞繼續開展我們自主研發的“駐定斜爆轟沖壓發動機”試驗，實現我國高超聲速發動機的跨越式發展。