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

自2018年起，在國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項目（部門推薦）“爆轟驅(qū)動超高速高焓激波風(fēng)洞”（以下簡稱JF-22超高速風(fēng)洞）的支持下，姜宗林帶領(lǐng)激波風(fēng)洞團隊依據(jù)我國獨創(chuàng)的“激波反射型正向爆轟驅(qū)動”方法，把國際上普遍認(rèn)為“不能用”的正向爆轟變?yōu)椤翱捎谩焙汀昂糜谩钡尿?qū)動能源，成功研制出JF-22超高速風(fēng)洞。

今年5月，該項目完成結(jié)題驗收。驗收專家組一致認(rèn)為，該風(fēng)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(biāo)方面處于國際領(lǐng)先水平。

JF-22超高速風(fēng)洞。研究團隊供圖

前瞻引領(lǐng)，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(jì)50年代，錢學(xué)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(xiàn)國際出行的早出晚歸。

而新一代空天飛行器的研發(fā)離不開重要的科學(xué)裝置——高超聲速風(fēng)洞。高超聲速風(fēng)洞通過人工方式產(chǎn)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(xué)特性，相當(dāng)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(fēng)洞產(chǎn)生的“風(fēng)”越大?？茖W(xué)家用飛行速度與聲速之比——“馬赫數(shù)”度量飛行速度。在高超聲速飛行中，飛行器巨大的動能將產(chǎn)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(shù)千攝氏度甚至上萬攝氏度，引起空氣分子發(fā)生解離、原子電離等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

“飛行器周邊的空氣起熱化學(xué)反應(yīng)，這類現(xiàn)象超出了傳統(tǒng)氣體動力學(xué)的研究范疇，需要創(chuàng)立新的理論去描述，打造新的風(fēng)洞去試驗?！苯诹直硎?，“新型空天飛行器研發(fā)的地面試驗需要性能更強大的高超聲速風(fēng)洞?！?/p>

基于這一科學(xué)前沿問題和國家航空航天重大需求，2017年底，激波風(fēng)洞團隊向國家自然科學(xué)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(xué)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(xué)發(fā)展、探索自然規(guī)律和開拓研究領(lǐng)域具有重要作用的原創(chuàng)性科研儀器的研制。

2018年全國力學(xué)大會上，中國科學(xué)院院士楊衛(wèi)透露：“正在建設(shè)中的JF-22超高速風(fēng)洞將為更高速的飛行奠定實驗基礎(chǔ)。”

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

2022年4月15日，JF-22超高速風(fēng)洞完成首次運行實驗。當(dāng)天是姜宗林的生日，JF-22超高速風(fēng)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(shù)據(jù)顯示，實驗結(jié)果達到預(yù)期目標(biāo)。

2023年上半年，JF-22超高速風(fēng)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(xiàn)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(yōu)異的性能參數(shù)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?！苯诹只貞浾f。

JF-22超高速風(fēng)洞具有尺度大、時間長、總溫和總壓高等特點，能夠復(fù)現(xiàn)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(dāng)于約30倍聲速的飛行條件。

“JF-22超高速風(fēng)洞的綜合性能在世界上還沒有其他風(fēng)洞可以相比?！苯诹肿孕诺卣f。

廿年一劍，復(fù)現(xiàn)軌道速度

早在60年前，科學(xué)家就開始探索“正向爆轟驅(qū)動”方法，為建造高性能激波風(fēng)洞做準(zhǔn)備。

“爆轟”是激波風(fēng)洞用來驅(qū)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(nèi)以高于聲速的速度傳播。根據(jù)點火位置的不同，驅(qū)動形式分為“正向”和“反向”兩種。和“反向”驅(qū)動相比，正向爆轟可以驅(qū)動產(chǎn)生更大的空氣動量，產(chǎn)生高超聲速飛行條件下的氣流。

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

2002年，姜宗林團隊從原理上革新，提出并設(shè)計了激波反射型正向爆轟驅(qū)動器。這有效改進了驅(qū)動氣流的平穩(wěn)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(fēng)洞的核心技術(shù)。

從2002年學(xué)術(shù)論文發(fā)表，到2023年JF-22超高速風(fēng)洞驗收，中國科學(xué)家“二十年磨一劍”，實現(xiàn)了超高速風(fēng)洞試驗狀態(tài)從流動“模擬”到關(guān)鍵參數(shù)“復(fù)現(xiàn)”的跨越。

在北京懷柔錢學(xué)森實驗基地空天實驗中心，《中國科學(xué)報》看到，與JF-22超高速風(fēng)洞并排的是JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，即“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”。

JF-22超高速風(fēng)洞的研制離不開JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞積累的經(jīng)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(fù)現(xiàn)風(fēng)洞立項，2012年完成項目驗收，確立了我國在這個研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

如今，JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞經(jīng)歷10年的試驗應(yīng)用，在國家重大任務(wù)、多個型號研制和學(xué)科前沿問題探索中，完成了一系列的重要科學(xué)試驗。激波風(fēng)洞研究團隊因此獲得了2016年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。

如今，這兩座風(fēng)洞可分別實現(xiàn)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(gòu)成覆蓋馬赫數(shù)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(lǐng)域唯一具備覆蓋全部“飛行走廊”實驗?zāi)芰Φ膰摇?/p>

傳承四代，書寫傳奇故事

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

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

剛剛考上錢學(xué)森和郭永懷研究生的俞鴻儒接過發(fā)展激波管技術(shù)、研制激波風(fēng)洞的重任。面對基礎(chǔ)技術(shù)不足、科研經(jīng)費短缺的難題，俞鴻儒選擇了當(dāng)時國際上已經(jīng)棄用的驅(qū)動方式——氫氧燃燒驅(qū)動，但這種方式產(chǎn)生的能量極大、極易發(fā)生爆炸，會帶來嚴(yán)重的安全問題。作為我國高超聲速研究的第二代科學(xué)家，俞鴻儒把一生都投入到這項事業(yè)中。

經(jīng)過一次又一次的反復(fù)試錯，我國的風(fēng)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(fēng)洞JF-8激波風(fēng)洞，高超聲速風(fēng)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(xué)研究的姜宗林回國，成為第三代“風(fēng)洞人”?！爱?dāng)時，俞先生告訴我，錢先生和郭先生創(chuàng)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?！苯诹终f。

“因為國家需要，所以熱愛這份事業(yè)?！苯诹滞瑯訉F隊成員說，“只有把事業(yè)和國家需求聯(lián)系在一起，事業(yè)才有尺度；只有把事業(yè)與世界難題聯(lián)系在一起，事業(yè)才有高度?！彼麕ьI(lǐng)激波風(fēng)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(fù)現(xiàn)風(fēng)洞和JF-22超高速風(fēng)洞的研制，撰寫了國際首部系統(tǒng)論述超高速激波風(fēng)洞理論和技術(shù)的英文專著，奠定了中國高超聲速風(fēng)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(fēng)洞研究中所作的貢獻，美國航空航天學(xué)會將象征該領(lǐng)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(fā)給中國科學(xué)家，乃至亞洲科學(xué)家。

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

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

姜宗林：JF-22超高速風(fēng)洞是幾代科學(xué)家多年艱苦奮斗的結(jié)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(fēng)洞的理論創(chuàng)新與工程實踐，正是堅持工程科學(xué)發(fā)展觀的真實寫照。

在中國高超聲速風(fēng)洞60多年的研發(fā)過程中，我國科學(xué)家提出了系統(tǒng)的爆轟驅(qū)動超高速風(fēng)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(qū)動方法、長試驗時間激波風(fēng)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(xué)原理。中國高超聲速風(fēng)洞基于爆轟現(xiàn)象的基本原理，解決了高超聲速風(fēng)洞工程的需求，并得到了工程實踐的驗證。工程科學(xué)的發(fā)展沒有最好，只有更好。這取決于我們對于物理規(guī)律的認(rèn)知和模擬。

《中國科學(xué)報》：你對JF-22超高速風(fēng)洞的未來應(yīng)用，有哪些計劃與期待？

姜宗林：高超聲速風(fēng)洞實驗平臺為我國的高超聲速發(fā)展提供了強大工具，我們現(xiàn)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(xué)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(tài)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(xù)往上飛到軌道上。研究這種飛行器兩級分離理論和技術(shù)，對于指導(dǎo)空天飛行器的設(shè)計具有重要意義。

我們還計劃應(yīng)用JF-22超高速風(fēng)洞繼續(xù)開展我們自主研發(fā)的“駐定斜爆轟沖壓發(fā)動機”試驗，實現(xiàn)我國高超聲速發(fā)動機的跨越式發(fā)展。

目前，JF-22超高速風(fēng)洞在各項指標(biāo)上都處于國際領(lǐng)先地位。我們期待在國家有關(guān)部門的支持下，能夠把握這一機遇，建立大科學(xué)裝置可持續(xù)運行的有效工作機制，加強對儀器共享與前沿交叉學(xué)科合作研究的支持。

來源：中國科學(xué)報 (2023-12-25 第4版 自然科學(xué)基金)