JF-22超高速风洞。 研究团队提供照片 2023年12月，在我国航天事业奠基人钱学森诞辰112周年之际，站在新落成的167米长可再现超级风洞前每秒10公里的超高速飞行，中国科学院力学研究所研究员姜宗林告诉中国科学报：“钱学森在讨论科学精神时曾说过，无论是真正的创新取决于你是否敢于研究别人没有研究过的前沿科学问题，我们用这个自主研发的重要装备来支持我国的航天事业是最好的安慰。 2018年以来，在“高焓激波风”的支持下，参与国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目（部门推荐）“爆轰驱动超高速”的研究工作。 “JF-22超高速风洞”（以下简称JF-22超高速风洞），蒋宗林带领激波风洞团队采用我国独创的“激波反射式前向爆轰驱动”方式进行前向爆轰，被普遍认为“不能用”，变成了“能用”、“好用”的驱动能源，JF-22超高速风洞于今年5月研制成功并验收。专家组一致认为，该风洞在有效实验时间、总温度、总压力、喷嘴流场尺寸等综合性能指标上处于国际领先水平，前瞻引领，构建人类强国重要武器。一个航天梦，总想飞得更快、更高、更远。 早在20世纪50年代，钱学森就首先定义了“高超音速飞行”的概念。 未来，新一代飞机将能够航行千里，实现国际旅行的早出发、晚回。
新一代空天飞行器的发展离不开一个重要的科学装置——高超声速风洞。 高超声速风洞人工产生和控制高速气流，模拟飞机周围气体的流动，获得飞机的气动特性，相当于在地面上人工建造了一个“飞天”。 飞机速度越快，需要风洞产生的“风”就越大。 科学家使用“马赫数”（飞行速度与音速之比）来测量飞行速度。 高超声速飞行时，飞机巨大的动能会产生强烈的头部冲击波和摩擦阻力，将飞机周围的空气加热到数千甚至数万摄氏度，引起空气分子解离、原子电离等复杂化学反应。 。 反应。 “飞机周围的空气发生热化学反应。这种现象超出了传统气体动力学研究的范围。它需要创建新的理论来描述它，并创建新的风洞进行测试。” 蒋宗林说，“新型空天飞行器的研制和地面试验需要性能更强大的高超声速风洞。”基于这一科学前沿问题和国家航天重大需求，2017年底，激波风洞团队提交了向国家自然科学基金委申请国家重大科研仪器研制项目。 ，并获得资金支持。 作为科学基金资助体系的重要组成部分，国家重大科研仪器研制项目重点资助对推动科学发展、探索自然规律、开拓研究领域发挥重要作用的原创性科研仪器的研制。 在2018年全国力学大会上，中国科学院院士杨伟透露：“正在建设的JF-22超高速风洞将为更高速度飞行奠定实验基础。
“在国家重大科研仪器研制项目的支持下，冲击波风洞团队以满足工程需求为目标，挑战先进风洞技术指标极限，全心全意致力于前所未有的JF-22超强风洞的研制。 2021年底安装完成中国第一个目标飞行器，进入性能调试阶段，2022年4月15日，JF-22超高速风洞完成首次运行试验。那天是蒋宗林的生日，JF-22超高速风洞的成功运行对他来说是一份珍贵的礼物。随着一声巨响，控制室电脑屏幕上的数据显示了实验结果。 2023年上半年，JF-22超高速风洞将迎来真正的“大考验”，在这一国家重大科研仪器研制项目验收期间，共有进行了5次专家现场测试。 第一次测试中，实际流场速度达到每秒10.08公里，总温度达到19,000开尔文（K），总压力达到33,000以上。 气压。 优异的性能参数让在场专家惊叹不已。 “我们非常兴奋。 我把这次测试的实验记录写给了专家和团队。 蒋宗霖回忆道。 JF-22超高速风洞具有规模大、时间长、全温全压高的特点，可在每秒2.5公里至10公里的高度再现40公里至90公里的飞行速度。 实际测量的最高速度达到每秒10.1公里，相当于实验室中约30倍音速的飞行条件。 “JF-22超高速风洞的综合性能可与世界其他风洞相媲美。”
”蒋宗林自信地说。二十年一剑，轨道速度已恢复。早在60年前，科学家就开始探索“前向爆轰驱动”方法，为建设高性能冲击波风洞做准备“爆轰”是冲击波风洞驱动强气流的一种方法，即点燃混合的氢气和氧气，燃烧冲击波以高于音速的速度在管道中传播。根据点火位置的不同，驱动形式分为“正向”和“反向”两种，与“反向”驱动相比，正向爆轰可以在高超声速下驱动产生更大的空气动量并产生气流。然而，前向爆震驱动方式受到“稀疏波”的干扰，难以满足激波风洞的驱动要求。如何应对“稀疏波”的干扰并“利用好”。前向爆震驱动方法的“研究”是建造超高速风洞面临的世界级难题。 在理论和技术层面取得了突破。 2002年，蒋宗林团队进行原理创新，提出并设计了冲击波反射式前向爆震驱动器，有效提高了驱动气流的稳定性，使前向爆震更加高效。 “不能用”变成了“能用、好用”的动力源，成为JF-22超高速风洞的核心技术。 从2002年发表学术论文到2023年JF-22超高速风洞验收，中国科学家“二十年磨一剑”，实现了从流动“模拟”到“再现”的飞跃中国科学报在北京怀柔钱学森实验基地航天实验中心看到超高速风洞测试的关键参数。 与JF-22超高速风洞并列的是JF-12再现风洞，即“再现高超音速飞行条件的冲击波风洞”。
JF-22超高速风洞的研制离不开JF-12复制品风洞所积累的经验。 2008年，在第一批国家重大科研仪器研制项目的支持下英语作文，JF-12复制风洞项目立项。 2012年完成项目验收，确立了我国在该研究领域的世界领先地位。 如今，经过10年的实验应用，JF-12复演风洞已完成了国家重大任务中的一系列重要科学实验、多种型号的研制以及学科前沿问题的探索。 激波风洞研究团队荣获2016年度中国科学院优秀科技成果奖。 如今，这两个风洞分别可以达到每秒1.5公里至3公里和每秒3公里至10公里的实验条件。 它们共同构成了一个气动实验平台，飞行速度为5至30马赫，飞行高度为25至90公里。 我国成为高超音速领域唯一拥有覆盖所有“飞行走廊”实验能力的国家。 四代传承，书写传奇故事，源远流长。 JF-22超高速风洞成功的背后，是中科院四代科学家60多年来的不断奋斗，谱写了传承、创新、拼搏的传奇故事。 20世纪50年代中期，“两弹一星”创始人钱学森、郭永怀在中国科学院力学研究所制定了高超声速风洞研究方向，并组建了冲击波风洞研究组。科学。 刚刚考上钱学森、郭永怀研究生的于鸿儒，就接下了研制激波管技术、研制激波风洞的重任。 面对基础技术不足、科研经费短缺的问题，于鸿儒选择了当时国际上已经放弃的驱动方式——氢氧燃烧驱动。 但这种方法产生的能量很大，而且容易发生爆炸，会造成严重的安全问题。
作为我国高超声速研究的第二代科学家，于鸿儒为这项事业奉献了一生。 经过反复试验，我国风洞研究终于“爆出了”一条新路径——我国第一代激波管、首个大型高超音速风洞JF-8激波风洞、高速超音速风洞JF4B、 JF8、JF10等相继问世。 1999年，应于鸿儒的邀请，从事冲击波动力学研究的蒋宗林回国，成为第三代“风洞人”。 “当时于先生告诉我，钱先生和郭先生创办的团队需要年轻人传承下去，这个团队要密切关注国家需求和世界问题。” 蒋宗霖说道。 “因为国家需要，我热爱这个职业。” 蒋宗林还对队员们说中国第一个目标飞行器，“只有将事业与国家需要联系起来，事业才有规模；只有将事业与世界问题联系起来，事业才有高度。” 他带领激波风洞团队坚持“求真务实、实事求是”的科研理念，继承了“成功不靠我，成功必须靠我”的家国情怀。 他们完成了JF-12复制品风洞和JF-22超高速风洞的研制，撰写了世界上第一本系统论述超高速冲击波风洞理论与技术的英文专着，奠定了中国高超音速风洞的世界地位。 。 2016年，为表彰蒋宗林对全球最大的高超音速激波风洞研究的贡献，美国航空航天学会授予他象征着该领域最高荣誉的“地面试验奖”。 这是该奖项设立40多年来首次授予中国科学家甚至亚洲科学家。
如今，作为第四代“风洞人”，蒋宗林的学生正在从前辈科学家手中接过接力棒，为我国高超声速风洞领域的研究注入新的动力。 《中国科学报》：在研制JF-22超高速风洞这一重大科研仪器的过程中，您对工程科学有什么想法？ 蒋宗林：JF-22超高速风洞是几代科学家多年努力的结晶。 这离不开钱先生、郭先生的远见卓识，更离不开于先生的无私奉献。 我国高超声速风洞的理论创新和工程实践是科学发展工程观的真实体现。 我国高超声速风洞研究发展60多年来，我国科学家提出了系统的爆震驱动超高速风洞理论。 该理论包括反向爆震耦合真空爆震概念、冲击波反射式正向爆震驱动方法、长试验时间冲击波风洞理论。 这些理论既有模拟工程的实际意义，也符合自然科学的原理。 我国高超声速风洞基于爆轰现象的基本原理，解决了高超声速风洞工程的需求，并得到了工程实践的验证。 工程科学的发展没有最好，只有更好。 这取决于我们对物理定律的理解和模拟。 《中国科学报》：您对JF-22超高速风洞的未来应用有什么计划和期望？ 蒋宗林：高超声速风洞实验平台为我国高超声速发展提供了有力工具。 我们现在可以进行“别人做不到的，难做的，大师做不到的”的科学实验，解决“做不到”、做不好、做不好的问题。 。
例如，我们最近正在探索进入轨道的两级航天飞行器的超高速动态分离。 这是以前无法完成的测试。 与火箭的垂直起降不同，这种空天飞行器可以水平起降，飞到距地面30公里至40公里的高度，然后在第二级起飞，继续向上飞至轨道。 研究飞行器两级分离理论与技术对于指导空天飞行器的设计具有重要意义。 我们还计划利用JF-22超高速风洞继续测试我国自主研发的“静止斜爆冲压发动机”，实现我国高超音速发动机的跨越式发展。 目前，JF-22超高速风洞各项指标均处于国际领先地位。 我们期待抓住这一机遇，在国家相关部门的支持下，建立有效的大型科学装置可持续运行工作机制，加强对仪器共享和前沿跨学科合作研究的支持。 （原文发表于《中国科学报》2023-12-25第4版自然科学基金）