今年12月，我國航天事業(yè)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(xiàn)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(chuàng)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(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。”

　　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(qū)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(lǐng)激波風洞團隊依據(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超高速風洞。

　　今年5月，該項目完成結(jié)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(lǐng)先水平。

　　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(xiàn)國際出行的早出晚歸。

　　而新一代空天飛行器的研發(fā)離不開重要的科學裝置——高超聲速風洞。高超聲速風洞通過人工方式產(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(chǎn)生的“風”越大?？茖W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、原子電離等復雜的化學反應(yīng)。

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

　　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(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年全國力學大會上，中國科學院院士楊衛(wèi)透露：“正在建設(shè)中的JF-22超高速風洞將為更高速的飛行奠定實驗基礎(chǔ)?！?/p>

　　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(zhàn)先進風洞技術(shù)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(diào)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(shù)據(jù)顯示，實驗結(jié)果達到預(yù)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(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。”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(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(xiàn)軌道速度

　　早在60年前，科學家就開始探索“正向爆轟驅(qū)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(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超高速風洞的核心技術(shù)。

　　從2002年學術(shù)論文發(fā)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(xiàn)了超高速風洞試驗狀態(tài)從流動“模擬”到關(guān)鍵參數(shù)“復現(xiàn)”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(xiàn)風洞，即“復現(xiàn)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(xiàn)風洞積累的經(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復現(xiàn)風洞立項，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復現(xiàn)風洞經(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(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超高速風洞成功的背后，是中國科學院四代科學家連續(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(fā)展激波管技術(shù)、研制激波風洞的重任。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(yè)中。

　　經(jīng)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(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。”姜宗林說。

　　“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(xiàn)風洞和JF-22超高速風洞的研制，撰寫了國際首部系統(tǒng)論述超高速激波風洞理論和技術(shù)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(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(lǐng)域的研究注入新動力。(甘曉)