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复现高超声速飞行条件激波风洞JF12喜获奖励
    时间:2017-2-20     点击率:959

编者按:本刊在2014523日、620日、926日以及2015122日、417日、525日,分6次连续介绍了力学所的JF12高超声速激波风洞。我们近日又获悉它被授予了2016年国家技术发明二等奖,这里将进一步说明姜宗林研究团队是如何挑战世界难题铸就国家辉煌的。

复现高超声速飞行条件激波风洞JF12喜获奖励

姜宗林研究团队在国家科学技术奖励大会上

      201719日,国家科学技术奖励大会传来好消息,“复现高超声速飞行条件激波风洞实验技术”荣获2016年国家技术发明二等奖。同时,“复现高超声速飞行条件激波风洞研究集体”还荣获了2016年度中国科学院杰出成就奖。中国科学院杰出成就奖是授予院属单位在科技创新活动中做出重大成果的集体或个人,在2003年设立,每两年评选一次,从2013年起,每年评选一次,每次授奖总数不超过10个。“复现高超声速飞行条件激波风洞研究集体”是力学所首次获得该奖项的团队。此前,相关研究成果“复现高超声速飞行条件激波风洞”获得2014年度(第一届)中国力学科技进步一等奖,这是中国力学学会为进一步发挥力学科技工作者的科技创造性,更好地服务国家创新体系建设,而于2014年开始设置的一个奖项。

姜宗林接受白春礼院长颁发“杰出科技成就奖”

作为航空航天领域的一项重大原创性成果,JF12激波风洞从去年开始已备受国际关注,成为世界航空航天领域一颗耀眼的明星。2016615(华盛顿时间2016614),美国航空航天学会(AIAA)在国际航空大会(AVIATION 2016)上,把2016年度的地面试验奖(AIAA Ground Testing Award 2016) 颁发给中国科学院力学研究所研究员姜宗林。这是该奖项设立41年以来首位中国学者站在领奖台上,也是亚洲科学家首次获此殊荣。这标志着中国在航空航天基础研究方面取得了世界瞩目的杰出成就,得到了国际学术界的公认。美国航空航天学会的颁奖公告指出:“姜的成果创立了大型高超声速试验装备的新高度……姜的设计没有移动部件,能比传统风洞产生实验时间更长,能量更高的实验气流。(Jiang’s work has advanced the state of the art in large-scale hypersonic test facilities. Jiang’s design uses no moving parts and generates a longer test-duration and a higher energy flow than more traditionally designed tunnels.)”。

姜宗林获美国航空航天学会2016年度地面试验奖

众所周知, 风洞是推动航空航天飞行器发展的国家重器,一代风洞技术决定一代飞行器的研制水平,代表着一个国家的科研实力。复现高超声速飞行条件激波风洞JF12激波风洞(以下简称“JF12激波风洞”)是地面气动试验这顶皇冠上的明珠,也是气体动力学研究领域科学家心中的珠穆朗玛峰。  从国际高超声速风洞技术发展历程来看,JF12激波风洞要实现复现高超声速飞行条件,必须要突破三大技术瓶颈:风洞驱动功率,实验时间,测量精度。目前,对于激波风洞而言,存在着功率小、时间短、精度低的问题。这里,让我们来看看,姜宗林团队是如何突破这些瓶颈的吧!

JF12激波风洞三大技术瓶颈图示

大功率驱动技术的困难之处在于动力能源。JF12激波风洞要在地面上创造一股具有高超声速飞行速度的实验气流,并且气流柱的直径尺度要达到满足实际尺寸飞行器实验的需求。通俗一点来说,如果应用2.5米直径的喷管,开展9倍声速的实验,JF12激波风洞的功率需求比葛洲坝水电站的总功率还要大!这是十分困难的任务。但是,姜宗林研究团队选择采用俞鸿儒院士独创的爆轰驱动方法,发明了大功率激波风洞爆轰驱动技术,利用化学能替代机械能,变革了国际主流机械压缩模式,从而使驱动性能得到量级的提升。然而,由爆轰驱动方法到超大功率驱动技术的发展,也是一个极有挑战性的课题,就像从几百吨舰艇的制造到几万吨航母的研制一样,需要新理论和新技术的支撑。他们提出多级放大、直接起爆方法和临界膜片成型技术实现了大型爆轰驱动器的工程化,解决了可燃气体起爆、高品质气源生成、爆轰过程控制和实验安全保障等难题,实现了风洞驱动能力的可控与可调。

膜片成型技术与直接起爆装置

     保证复现风洞的实验能力,需要解决的第二个难题是实验时间短的问题。这种情况下,风洞实验得不到好的实验结果,其实就等于实验并没有完成。激波风洞最具有复现高超声速飞行条件的潜力,但有效实验时间极短。延长激波风洞的实验时间能够大大扩展风洞的实验能力,这一直是国际激波研究界的前沿课题。世界最大的自由活塞驱动激波风洞(HIEST)在日本宇航实验室,它的有效实验时间仅为2~3毫秒;最先进的加热轻气体驱动激波风洞(LENS II) 在美国,它的有效实验时间也只有30毫秒。但是,要开展超声速燃烧研究,这样的实验时间是不够的。钱学森曾指出,超声速燃烧研究至少需要100毫秒的有效实验时间。姜宗林团队通过复杂波系传播及其相互作用规律的研究,提出了长实验时间激波风洞理论。这个理论包括:(1)爆轰驱动激波风洞缝合运行方法,突破了限制实验时间的主要瓶颈;(2)真空系统起动激波反射干扰控制,通过巧妙设计真空罐的形状起到耗散起动激波,推迟其反射干扰的作用;(3)激波/边界层干涉试验气体污染抑制技术,通过特殊结构设计延迟驱动气体污染实验气流。这样,他们使得有效实验时间提高了60%,达到130毫秒,这是目前激波风洞的最高水平。

JF12的激波反射干扰控制技术示意

 激波风洞测量精度低的瓶颈缘于实验时间短和极端条件下的测量环境。相对于常规高超声速风洞的最高总温1000K左右,JF12激波现风洞实验气流总温高达3500K。它远远高于炼钢炉的温度。在这种大冲击、强冲刷和高热流等因素的干扰下,使得JF12激波风洞在测量技术上面临极大挑战。针对风洞运行时的这种极端环境,姜宗林团队提出了高频响、大量程测力系统一体化设计方法,解决了整个测力系统与风洞特性的匹配问题。他们研制的高精度测力天平使得测力精度提高一个量级。他们还发展了多基频干扰信号的波系适配分离技术,能够精确分离出各个基频分量的不同干扰,实现了实验数据的高精度处理。此外,他们研发了高精度热电偶技术,时间分辨率达到1毫秒(传统技术的分辨率为2~4毫秒),而且测量精度提高一倍,并可以重复使用。”这些高精度测量技术的发展,使得JF12激波风洞如虎添翼,在国家科技重大专项的关键技术突破,航天部门型号研发和学科前沿问题探索方面发挥了不可替代的作用,获得了重大的社会和经济效益。

大刚度模型支撑系统

六分量杆式天平

大家知道,我国航空航天领域的发展起步晚,近几年的一些重大进展常常遭到某些西方媒体的非议。而且,美国航空航天学会的地面试验奖是在世界范围海选,有专家推荐和专门的委员会考评,但被推荐人是不能参与的。这次JF12能够获奖,被国际同行称为“高超巨龙”(Hyper-Dragon),表明中国的航空航天实验技术有了和世界强国拼比的实力了。我们希望JF12激波风洞研究团队自觉地背负着国家前沿探索的任务,带着这样的初心和动力不断前进,不久的未来,他们或将迎来更大的成就,成就他们心中的梦想。

JF12复现高超声速飞行条件激波风洞主体部件

 

(王柏懿撰文)